DE4009977A1

DE4009977A1 - Capacitive length or angle measurement arrangement - has transmission, transfer and receiver electrodes giving high degree of linearity

Info

Publication number: DE4009977A1
Application number: DE4009977A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Zeppelzauer; Werner Dipl Ing Winkler
Original assignee: Hoerbiger Ventilwerke GmbH and Co KG
Current assignee: Hoerbiger Ventilwerke GmbH and Co KG
Priority date: 1989-04-04
Filing date: 1990-03-28
Publication date: 1990-10-11

Abstract

Two electrode surfaces carry respectively a series of pref. T-shaped electrodes (4) and separate, adjacent transmission electrodes (3). A receiver electrode connected to an evaluation circuit extends over the transmission electrode region and is movable parallel to it. The number of transmission electrodes in total or per group is an even number. The numbers of transfer electrodes per distance period and of transmission electrodes per group are chosen to have no common denominator. ADVANTAGE - Achieves high degree of linearity despite operation with signals which are simple to generate.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Einrichtung zur Messung von Längen oder Winkeln mit einer ersten Elektrodenfläche in Form von in mindestens einer Reihe angeordneten, vorzugsweise T-förmigen Elektroden und einer zweiten Elektrodenfläche, die mit voneinander beabstandeten, nebeneinander angeordneten Sendeelektroden, die mit einem Impulsgeber verbunden und mit in ihrer gegenseitigen Phasenlage verschobenen gleichen Signalen beaufschlagt sind, sowie mit mindestens einer sich über den mit den Sendeelektroden bestückten Bereich dieser Elektrodenfläche erstreckenden, mit einer Auswerteschaltung verbundenen Empfangselektrode versehen ist, wobei diese beiden Teile gegen einander verschiebbar oder verdrehbar und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.The invention relates to a capacitive device for Measurement of lengths or angles with a first electrode area in Form of arranged in at least one row, preferably T-shaped Electrodes and a second electrode surface that are in contact with each other spaced, side-by-side transmission electrodes that with connected to a pulse generator and in their mutual phase position shifted same signals are applied, as well as with at least one over the area equipped with the transmitting electrodes Electrode surface extending, connected to an evaluation circuit Receiving electrode is provided, these two parts against slidable or rotatable with each other and substantially parallel are arranged to each other.

Eine solche Einrichtung wurde z. B. durch die DE-OS 33 40 782 bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung werden die Sendeelektroden mit Wechselspannung in einer Weise gespeist, daß sich ein elektrisches Drehfeld ergibt, das an den Empfangselektroden, die aus zwei Reihen kammartig ineinandergreifender Kondensatorbeläge gebildet und an dem verschiebbaren Teil angeordnet sind, Wechselspannungen entstehen, deren Phasenlage gegenüber dem Sendesignal ausgewertet wird. Dabei ist diese Phasenverschiebung proportional zur Verschiebung zwischen dem stationären, die Sendeelektroden tragenden und dem bewegbaren Teil.Such a facility was, for. B. by DE-OS 33 40 782 known. In this known device, the transmitter electrodes fed with AC voltage in such a way that an electrical Rotating field results from the receiving electrodes, which consist of two rows interdigitated capacitor coverings formed and on the movable part are arranged, AC voltages arise, whose phase position is evaluated in relation to the transmission signal. It is this phase shift proportional to the shift between the stationary, the transmitting electrodes and the movable part.

Der Nachteil dieser bekannten Lösung liegt einerseits darin, daß sinusförmige, allenfalls dreieckförmige Signale in drei Phasen erzeugt werden müssen, andererseits in der aufwendigen Auswerteschaltung. Diese umfaßt im bekannten Fall neben verschiedenen anderen Funktionseinheiten auch einen Phasenregelkreis. Die Dynamik dieser Phasenregelung stellt eine Begrenzung der möglichen Meß- und Verarbeitungsgeschwindigkeit dar. Bei dieser komplizierten Schaltung ergeben sich aber auch schon im Hinblick auf die Beherrschung der Temperaturdrift erhebliche Probleme.The disadvantage of this known solution is that Sinusoidal, at most triangular signals generated in three phases must be, on the other hand in the complex evaluation circuit. These includes in the known case in addition to various other functional units also a phase locked loop. The dynamics of this phase control provides a limitation of the possible measuring and processing speed This complicated circuit already results in Considerable problems with regard to controlling the temperature drift.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Meßeinrichtung der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei der trotz Ansteuerung mit einfach zu erzeugenden Signalen und einer einfachen Auswerteschaltung ein hohes Maß an Linearität des gewonnenen Signales im Hinblick auf die gegenseitige Verschiebung der beiden Teile der Meßein richtung sowie hohe Meß- und Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden kann.The aim of the invention is to avoid these disadvantages and one Propose measuring device of the type mentioned, in spite of Control with easy to generate signals and a simple one Evaluation circuit a high degree of linearity of the signal obtained in the With regard to the mutual displacement of the two parts of the measuring direction and high measuring and processing speed achieved can be.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch verwirklicht, daß die Anzahl der zu einer Gruppe, gegebenenfalls auch zu mehreren Gruppen, ange ordneten Sendeelektroden in der einen Gruppe bzw. in jeder dieser Gruppen der BeziehungAccording to the invention this is achieved in that the number to one group, possibly also to several groups arranged transmit electrodes in one group or in each of these Groups of relationship

entspricht, wobei K die Anzahl der Übertragungselektroden in einer Wegperiode, die erfaßt werden soll, a die Breite der Sendeelektroden und b den gegenseitigen Abstand der Sendeelektroden bedeutet, und die Anordnung der vorzugsweise T-förmigen Elektroden der Beziehungwhere K is the number of transmission electrodes in a path period to be detected, a is the width of the transmission electrodes and b is the mutual distance of the transmission electrodes, and the arrangement of the preferably T-shaped electrodes of the relationship

e = N · b - d e = N · b - d

entspricht, wobei e den Zwischenraum zwischen den Elektroden, vor zugsweise den Zwischenraum zwischen den Stegen zweier benachbarter, mit ihren Querstegen aneinander angrenzender T-förmiger Elektroden, N die Anzahl der pro Gruppe zusammengefaßten Sendeelektroden und d die Breite der Elektroden, bzw. der Stege der T-förmigen Elektroden bedeutet, wobei N und K so gewählt sind, daß diese keinen gemeinsamen Teiler aufweisen und zur Berücksichtigung von Streufeldern, die an den Rändern der Elektroden auftreten, die Breite a der Sendeelektroden und die Breite d der Empfangselektroden gegenüber den sich aus den ange führten Bedingungen ergebenden theroretischen Werten um den Faktor 0,8 bis 0,99 verkleinert sind.corresponds to, where e is the space between the electrodes, preferably the space between the webs of two adjacent T-shaped electrodes with their transverse webs, N the number of transmitting electrodes combined per group and d the width of the electrodes or the webs of the T-shaped electrodes means that N and K are selected so that they do not have a common divider and to take into account stray fields that occur at the edges of the electrodes, the width a of the transmitting electrodes and the width d of the receiving electrodes compared to those resulting from the the resulting theoretical values are reduced by a factor of 0.8 to 0.99.

Nach einer Variante der Erfindung, die eine kapazitive Winkelmeß einrichtung mit einem ersten Teil, mit einer Elektrode in Form von in mindestens einer Reihe angeordneten, vorzugsweise T-förmigen Elektroden und einem zweiten Teil, der mit voneinander beabstandeten verlaufenden Sendeelektroden, die mit einem Impulsgeber verbunden und mit in ihrer gegenseitigen Phasenlage verschobenen gleichen Signalen beauf schlagt sind, sowie mit mindestens einer sich über den mit den Sendeelektroden bestückten Bereich dieses Teiles erstreckenden, mit einer Auswerteschaltung verbundenen Empfangselektrode versehen ist, wobei diese beiden Teile gegeneinander verdrehbar und im wesentlichen einander überdeckend angeordnet sind, betrifft, kann nach einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, daß die Anzahl der zu einer Gruppe, gegebenenfalls zu mehreren Gruppen, in einem Kreisbogen angeordneten Sendeelektroden der BeziehungAccording to a variant of the invention, which has a capacitive angle measurement device with a first part, with an electrode in the form of at least one row arranged, preferably T-shaped electrodes and a second part which is spaced apart from one another Transmitting electrodes connected to a pulse generator and with in their mutual phase shifted same signals are struck, as well as with at least one of those with the Transmitting electrodes equipped area of this part extending with a receiving electrode connected to an evaluation circuit is provided, these two parts being rotatable relative to each other and essentially are arranged overlapping one another, can be according to a Another feature of the invention can be provided that the number of one group, possibly several groups, in an arc arranged transmission electrodes of the relationship

entspricht, wobei K die Anzahl der Elektroden in einer Wegperiode, die erfaßt werden soll, α den Breitenwinkel der Sendeelektroden und β den gegenseitigen Winkelabstand der Sendeelektroden bedeutet und die An ordnung der vorzugsweise T-förmigen Elektroden der Beziehungcorresponds, where K is the number of electrodes in a path period to be detected, α is the width angle of the transmission electrodes and β is the mutual angular distance of the transmission electrodes and the arrangement of the preferably T-shaped electrodes of the relationship

ε = N · β - δ ε = N · β - δ

entspricht, wobei ε den zwischen den Elektroden, vorzugsweise den zwischen den Stegen zweier benachbarter, mit ihren Querstegen aneinander angrenzenden T-förmiger Elektroden eingeschlossenen Winkel, N die Anzahl der pro Gruppe zusammengefaßten Sendeelektroden, vorzugsweise den Stegen der einzelnen T-förmigen Elektroden eingeschlossenen Winkel, wobei N und K so gewählt sind, daß diese keinen gemeinsamen Teiler aufweisen und zur Berücksichtigung von Streufeldern, die an den Rändern der Elektroden auftreten, der Breitenwinkel der Sendeelektroden und der Breitenwinkel der Empfangselektroden gegenüber den sich aus den angeführten Bedingungen ergebenden theoretischen Werten um den Faktor 0,8 bis 0,99 verkleinert sind.corresponds to, where ε is the angle enclosed between the electrodes, preferably the angle enclosed between the webs of two adjacent T-shaped electrodes with their transverse webs adjacent to one another, N the number of transmitter electrodes combined per group, preferably the webs of the individual T-shaped electrodes, where N and K are chosen so that they do not have a common divisor and to take into account stray fields that occur at the edges of the electrodes, the latitude angle of the transmitting electrodes and the latitude angle of the receiving electrodes compared to the theoretical values resulting from the specified conditions by a factor 0.8 to 0.99 are reduced.

Durch diese Maßnahmen ergibt sich schon aufgrund der Anordnung der Elektroden ein sehr weitgehend linearer Zusammenhang zwischen der gegenseitigen Verschiebung der beiden die Elektroden tragenden Teile und dem von diesen abnehmbaren Ausgangssignal.These measures already result from the arrangement the electrodes have a very largely linear relationship between the mutual displacement of the two bearing the electrodes Parts and the output signal removable from them.

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Breite der Elektroden oder der Winkel, den die Seitenkanten der einzelnen Elektroden einschließen, der Breite der Sendeelektroden bzw. dem Winkel entspricht, den die Seitenkanten der einzelnen Sendeelektroden einschließen. It can also be provided that the width of the electrodes or the angle that the side edges of the individual electrodes enclose, corresponds to the width of the transmitting electrodes or the angle that the Include side edges of each transmit electrode.

So ergibt sich durch die erfindungsgemäße Elektrodentopographie ein linearer Zusammenhang zwischen der Phasenlage des Nulldurchganges des von der Empfangselektrode abnehmbaren integrierten Empfangssignals und der gegenseitigen Verschiebung der Elektroden und der Sendeelektroden.This results from the electrode topography according to the invention a linear relationship between the phase position of the zero crossing of the integrated received signal removable from the receiving electrode and the mutual displacement of the electrodes and the transmitting electrodes.

Durch die Abminderung der Werte a und d auf das 0,8-0,99fache kann die Verzerrung des elektrischen Feldes im Bereich der Ränder des ersten und zweiten, die Elektroden bzw. Sendeelektroden tragenden Teiles der Meßeinrichtung, kompensiert werden, so daß die Linearität noch weiter verbessert wird, bzw. Störungen derselben aufgrund der Feldverzerrungen weitgehend vermieden werden können.By reducing the values a and d to 0.8-0.99 times, the distortion of the electric field in the region of the edges of the first and second part of the measuring device, which carries the electrodes or transmitting electrodes, can be compensated, so that the linearity still is further improved, or interference due to the field distortions can be largely avoided.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann weiter vorgesehen sein, daß der Zwischenraum zwischen den mit ihren Querstegen aneinander angrenzenden T-förmigen Elektroden gleich oder größer als die Breite ihrer Stege bzw. als der Winkel ist, den deren seitlichen Begrenzungen einschließen, wobei bei Meßeinrichtungen, bei denen zwei Reihen kammartig ineinandergreifender T-förmiger Elektroden, sowie zwei Empfangselektroden vorhanden sind, vorgesehen sein kann, daß die beiden Empfangselektroden mit den Eingängen eines Differenzver stärkers verbunden sind.In a preferred embodiment of the invention, further be provided that the space between the with their Cross bars adjacent to each other T-shaped electrodes or is greater than the width of their webs or the angle that their include lateral boundaries, with measuring devices, at which two rows of comb-like interlocking T-shaped electrodes, and two receiving electrodes are present, can be provided that the two receiving electrodes with the inputs of a differential ver stronger connected.

Durch diese Maßnahmen kann aufgrund der Doppel-T Struktur der Elektroden und des Differenzverstärkers ein Signal mit der doppelten Amplitude als bei lediglich einreihig angeordneten Elektroden abgenommen werden, wodurch die Auflösung der Auswertung gesteigert werden kann. Außerdem ergibt sich durch die Verwendung eines Differenzverstärkers der Vorteil, daß Störungen, wie z. B. ein Brumm, zu keiner Verfälschung des abgenommenen Signales führt.Due to the double-T structure of these measures, the Electrodes and the differential amplifier a signal with double Amplitude than when the electrodes are arranged in a single row , which can increase the resolution of the evaluation. It also results from the use of a differential amplifier the advantage that disturbances such. B. a hum, no falsification of the picked up signal leads.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn N eine gerade Zahl ist. Damit wird sichergestellt, daß bei einem Betrieb der Meßeinrichtung mit Recht ecksignalen eine Änderung der Phasenverschiebung des abgenommenen Signales stets in einem linearen Verhältnis zur Größe der Verschiebung der beiden Teile der Meßeinrichtung steht.It is particularly advantageous if N is an even number. This ensures that when the measuring device is operated with right-angled signals, a change in the phase shift of the picked-up signal is always in a linear relationship to the size of the shift in the two parts of the measuring device.

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Ansteuerschaltung der Sendeelektroden durch einen von einem Taktgenerator beaufschlagten Zähler gebildet ist, wobei die erste Hälfte seiner Ausgänge mit den ungeradzahligen Sendeelektroden von der ersten weg in steigender Folge verbunden sind und die zweite Hälfte seiner Ausgänge mit den geradzahligen Sendeelektroden in steigender Folge verbunden sind.It can further be provided that the control circuit of the Transmitting electrodes by a clock generator Counter is formed, the first half of its outputs with the odd-numbered electrodes from the first away in increasing order are connected and the second half of its outputs to the even-numbered transmitting electrodes are connected in increasing order.

Wie sich bei Versuchen gezeigt hat, wird durch diese Maßnahmen am besten die Einhaltung der BeziehungAs has been shown in tests, these measures best to keep the relationship

Δϕ = B · Δ s Δϕ = B · Δ s

erfüllt, wobei Δϕ die Änderung der Phasenverschiebung des abgenommenen Signales gegenüber dem von den Sendeelektroden abgestrahlten Signal, B ein konstanter Proportionalitätsfaktor und Δ s den Betrag der mechanischen gegenseitigen Verschiebung bzw. Verdrehung der beiden Teile der Meßeinrichtung bedeuten.fulfilled, where Δϕ is the change in the phase shift of the received signal compared to the signal emitted by the transmitter electrodes, B is a constant proportionality factor and Δ s is the amount of the mechanical mutual displacement or rotation of the two parts of the measuring device.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die mit der Empfangselektrode verbundene Auswerteschaltung durch eine Hochpaßfilterschaltung und eine dieser nachgeschaltete Phasenvergleichs schaltung, deren zweiter Eingang mit dem ersten Ausgang des Zählers verbunden ist, gebildet ist.According to a further feature of the invention it is provided that the evaluation circuit connected to the receiving electrode by an High-pass filter circuit and one of these phase comparison circuit whose second input connects to the first output of the counter is connected, is formed.

Durch diese Maßnahmen wird die Weiterleitung von driftenden Gleichspannungskomponenten und eingestreuten Brummspannungen an die weiteren Bauteile der Auswerteschaltung verhindert und damit auch eine Verfälschung des Ausgangssignales vermieden.Through these measures, the forwarding of drifting DC components and interspersed ripple voltages to the prevents further components of the evaluation circuit and thus also one Falsification of the output signal avoided.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die mit der Empfangselektrode verbundene Auswerteschaltung durch einen Integrator und einen dem Integrator nachgeschalteten Komparator, dessen Vergleichseingang auf Null-Potential liegt, sowie einer der Zeitdifferenz zwischen dem Signal des ersten Ausganges des Zählers der Ansteuerschaltung und dem Ausgangs signal des Komparators erfassende Schaltung gebildet ist.It is particularly advantageous if the one with the receiving electrode connected evaluation circuit by an integrator and the Integrator downstream comparator, whose comparison input on Is zero potential, and one of the time difference between the signal of the first output of the counter of the control circuit and the output signal of the comparator detecting circuit is formed.

Durch diese Maßnahmen ist es möglich, die weitere Signalaus wertung digital durchzuführen.These measures make it possible to switch off the further signal perform the evaluation digitally.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meß einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator ein Puffer verstärker vorgeschaltet ist, an dessen Ausgang eine Schirmung, vor zugsweise eine Doppelschirmung, der Empfangselektrode angeschlossen ist.A preferred embodiment of a measurement according to the invention device is characterized in that the integrator has a buffer is connected upstream, at the output of which shielding preferably a double shield connected to the receiving electrode is.

Damit ist es möglich, die Empfangselektrode gegen Erde abzu schirmen. Dabei ist die Kapazität zwischen der Schirmung und der Empfangselektrode floatend und daher in Bezug auf das gewonnene Signal nicht wirksam.This makes it possible to shield the receiving electrode from earth shield. The capacitance between the shield and the Receiving electrode floating and therefore in relation to the signal obtained not effective.

Neben den üblichen Digitalsignalen für die Weg- bzw. Winkelmessung in Form von zwei um ¼ Pulsperiode gegeneinander verschobenen Pulsen kann ein sogenannter Referenzimpuls gewonnen werden, indem das digitale Signal der wegproportionalen Phasenverschiebung mit den ge nannten Wegimpulsen in einer Zählerschaltung verknüpft wird. Dadurch entsteht ein Impuls mit einer Breite, die der Auflösung der Wegimpulse entspricht, und der sich im Abstand δ = 360° (das ist die Wegperiode e + d) wiederholt. Damit ist es möglich, ungenaue Referenzschalter zu verwenden, obwohl die Genauigkeit des Referenzpunkts der Auflösung des Weg- (Winkel-)meßsystems entspricht.In addition to the usual digital signals for path or angle measurement in the form of two pulses shifted by ¼ pulse period against each other, a so-called reference pulse can be obtained by linking the digital signal of the path-proportional phase shift with the path pulses mentioned in a counter circuit. This creates a pulse with a width that corresponds to the resolution of the path pulses and that is repeated at a distance δ = 360 ° (this is the path period e + d) . This makes it possible to use imprecise reference switches, although the accuracy of the reference point corresponds to the resolution of the displacement (angle) measuring system.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: Die Fig. 1a und 1b schematisch den Aufbau zweier Varianten einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, Fig. 2 das Anschlußschema der einzelnen Elektroden, die Fig. 2a bis 2c Diagramme des Signalver laufes an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 2, die Fig. 3a bis 3b zwei verschiedene Varianten von Auswerteschaltungen für erfin dungsgemäße Meßeinrichtungen, die Fig. 4a und b schematisch weitere Varianten von erfindungsgemäßen Meßeinrichtungen, die Fig. 5 und 6 schematisch die Anordnung einer Schirmung im Bereich einer Empfangs elektrode in Draufsicht und Querschnitt und Fig. 7 ein Impulsdiagramm der digitalen Zählausgänge und des Referenzpulsausgangs.The invention is explained in more detail with reference to the drawings. In the drawings: Figures 1a and 1b schematically illustrates the structure of two variants of a measuring device according to the invention, Figure 2 shows the connection diagram of the individual electrodes 2a to 2c are diagrams of Signalver run at various points in the circuit of FIG 2, FIGS..... 3a to 3b two different variants of evaluation circuits for measuring devices according to the invention, FIGS . 4a and b schematically show further variants of measuring devices according to the invention, FIGS . 5 and 6 schematically show the arrangement of a shield in the area of a receiving electrode in plan view and cross section and FIG. 7 a pulse diagram of the digital count outputs and the reference pulse output.

Die Meßeinrichtung gemäß den Fig. 1a und 1b besteht im wesentlichen aus zwei gegeneinander verschiebbaren Platten 1 und 2. Auf der Platte 1 sind die Sendeelektroden 3 und eine Empfangselektrode 7 ange ordnet. Dabei sind die Sendeelektroden 3 in gleichmäßigen Abständen über den der mechanischen Wegperiode c entsprechenden Bereich verteilt angeordnet. Die Breite einer jeden Sendeelektrode 3 ist mit a und der Abstand derselben voneinander ist mit b bezeichnet.The measuring device according to FIGS . 1a and 1b essentially consists of two plates 1 and 2 which can be displaced relative to one another. On the plate 1 , the transmitting electrodes 3 and a receiving electrode 7 are arranged. The transmitting electrodes 3 are arranged at uniform intervals over the area corresponding to the mechanical travel period c . The width of each transmission electrode 3 is denoted by a and the spacing thereof is denoted by b .

Auf der Platte 2, die gegenüber der Platte 1 verschiebbar ist und so über dieser liegt, daß die beiden Punkte 20 übereinander zu liegen kommen, sind Elektroden 4 angeordnet, die eine T-Form aufweisen. Diese Elektroden 4 sind mit der Auswerteschaltung, deren Anschluß in Fig. 2 dargestellt ist, nicht verbunden, bewirken aber eine Kopplung der Sendeelektroden 3 mit der Empfangselektrode 7, die sich bei einer relativen Verschiebung der beiden Platten 1 und 2 ändert. Electrodes 4 , which have a T-shape, are arranged on the plate 2 , which is displaceable relative to the plate 1 and lies above it so that the two points 20 come to lie one above the other. These electrodes 4 are not connected to the evaluation circuit, the connection of which is shown in FIG. 2, but they effect a coupling of the transmitting electrodes 3 to the receiving electrode 7 , which changes when the two plates 1 and 2 are displaced relative to one another.

Die T-förmigen Elektroden 4, die je einen Steg 5 und einen Quer steg 6 aufweisen, sind voneinander beabstandet auf der Platte 2 ange ordnet, wobei der Abstand e der Stege 5 zweier benachbarter Elektroden 4 voneinander größer als die Breite d der Stege 5 ist.The T-shaped electrodes 4 , each having a web 5 and a cross web 6 , are spaced apart on the plate 2 , the distance e of the webs 5 of two adjacent electrodes 4 from each other is greater than the width d of the webs 5 .

Bei der Dimensionierung und Anordnung der Sendeelektroden 3 und der Elektroden 4 gelten folgende BeziehungenThe following relationships apply to the dimensioning and arrangement of the transmitting electrodes 3 and the electrodes 4

wobei K die Anzahl der Elektroden 4 in einer Wegperiode c, die erfaßt werden soll, und a die Breite der Sendeelektroden 3 bedeutet. Vorzugs weise wird nur das 0,8- bis 0,99fache des errechneten Wertes von a ausgeführt, um den Einfluß der Feldverzerrung im Bereich der Ränder der Platten 1 und 2 zu berücksichtigen. Der gegenseitige Abstand der Sendeelektroden 3 ist mit dem Buchstaben b bezeichnet.where K is the number of electrodes 4 in a path period c to be detected and a is the width of the transmitting electrodes 3 . Preferably, only 0.8 to 0.99 times the calculated value of a is carried out to take into account the influence of the field distortion in the area of the edges of the plates 1 and 2 . The mutual distance between the transmitting electrodes 3 is designated by the letter b .

Die Anordnung der vorzugsweise T-förmigen Elektroden 4 ent spricht der BeziehungThe arrangement of the preferably T-shaped electrodes 4 speaks ent of the relationship

e = N · b - d, e = N * b - d,

wobei e den Zwischenraum zwischen den Elektroden 4, bzw. den Zwi schenraum zwischen den Stegen 5 zweier benachbarter, mit ihren Quer stegen 6 aneinander angrenzenden T-förmigen Elektroden 4, N die Anzahl der in einer Gruppe zusammengefaßten Sendeelektroden 3 und d die Breite der Elektroden, bzw. der Stege 5 der T-förmigen Elektroden bedeuten. Allerdings ist es vorteilhaft, bei der tatsächlichen Dimensionierung für den Abstand e nur das 0,8- bis 0,99fache der Werte von a und d einzusetzen, um die Feldverzerrungen in den Randbereichen der Platten 1 und 2 zu berücksichtigen. Die Werte von N und K werden so gewählt, daß diese keinen gemeinsamen Teiler aufweisen.where e the space between the electrodes 4 , or the inter mediate space between the webs 5 of two adjacent, with their cross webs 6 adjacent T-shaped electrodes 4 , N the number of transmitter electrodes 3 combined in a group and d the width of the electrodes , or the webs 5 of the T-shaped electrodes. However, it is advantageous to use only 0.8 to 0.99 times the values of a and d in the actual dimensioning for the distance e in order to take into account the field distortions in the edge regions of the plates 1 and 2 . The values of N and K are chosen so that they do not have a common divisor.

Die Anordnung nach der Fig. 1b entspricht jener nach der Fig. 1a, doch sind bei der Anordnung nach der Fig. 1b zwei kammartig inein andergreifende Reihen von T-förmigen Elektroden 4, 4′ und zwei Empfangselektroden 7, 7′ vorhanden.The arrangement of FIG. 1b corresponds to that of FIG. 1a, but two comb-like interdigitated rows of T-shaped electrodes 4 , 4 ' and two receiving electrodes 7 , 7' are present in the arrangement of FIG. 1b.

Die Anordnung der einzelnen Elektroden erfolgt wie oben dargelegt. The individual electrodes are arranged as described above.

Die Ansteuerung der Sendeelektroden 3 erfolgt in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise, wobei die Sendeelektroden 3 über einen Zähler 8 mit einem Taktgeber 9 verbunden sind. Dabei schaltet der Zähler 8 den Taktgeber 9 der Reihe nach zu den einzelnen Sendeelektroden 3 durch.The control of the transmission electrodes 3 takes place in the manner shown in FIG. 2, the transmission electrodes 3 being connected to a clock generator 9 via a counter 8 . The counter 8 switches the clock generator 9 through to the individual transmission electrodes 3 in turn.

Die Ansteuerung der einzelnen Sendeelektroden 3 erfolgt daher nach den aus der Fig. 2a ersichtlichen Impulszügen Ui. The control of the individual transmitter electrodes 3 therefore takes place according to the pulse trains Ui shown in FIG. 2a .

An der Empfangselektrode 7 wird ein Summensignal Ux abgenommen, das den in die Empfangselektrode 7 über die Elektroden 4, 4′ ein gekoppelten Signalen der Sendeelektrode 3 entspricht, wobei sich je nach der Stellung der Platten 1 und 2 zueinander ein unterschiedlicher Kopp lungsgrad ergibt.At the receiving electrode 7 , a sum signal Ux is taken, which corresponds to the coupled signals in the receiving electrode 7 via the electrodes 4 , 4 'of the transmitting electrode 3 , which results in a different degree of coupling depending on the position of the plates 1 and 2 .

Dieses in Fig. 2b dargestellte Summensignal Ux wird einer Signal aufbereitungsstufe 10 zugeführt, die das Summensignal normiert und ein Signal Uy gemäß der Fig. 2c liefert.This sum signal Ux shown in FIG. 2b is fed to a signal processing stage 10 , which normalizes the sum signal and supplies a signal Uy according to FIG. 2c.

Das normierte Signal Uy, dessen ansteigende Flanke mit der an steigenden Flanke des Summensignales Ux zeitlich zusammenhängt und dessen abfallende Flanke mit der zum Nulldurchgang abfallenden Flanke des Summensignales Ux ebenso zusammenhängt, wird einer Phasenauswerte schaltung 11 zugeführt, an deren zweiten Eingang das an der ersten Sendeelektrode 3 zugeführte Signal Ui anliegt.The normalized signal Uy , the rising edge of which is temporally related to the rising edge of the sum signal Ux and the falling edge of which is also related to the edge of the sum signal Ux falling to the zero crossing, is supplied to a phase evaluation circuit 11 , at the second input of which is at the first transmitting electrode 3 supplied signal Ui is present.

Die von der Phasenauswerteschaltung 11 ermittelte Phasenver schiebung Δϕ dieser Signale ist ein Maß - und zwar erfindungsgemäß eine Konstante - für die gegenseitige Wegverschiebung Δ s der Platten 1 und 2, die in der Anzeigeeinrichtung 11′ angezeigt werden kann. Durch Verknüpfung des digitalen Signals der Phasenverschiebung Δϕ mit den an die Anzeigeeinrichtung (bzw. weitere Auswerteeinrichtung) ausge gegebenen Wegpulsen in der Zählerschaltung 23 wird ein Referenzpuls 24 erzeugt.The determined by the phase evaluation circuit 11 phase shift Δϕ of these signals is a measure - and according to the invention a constant - for the mutual displacement Δ s of the plates 1 and 2 , which can be displayed in the display device 11 ' . A reference pulse 24 is generated by linking the digital signal of the phase shift .DELTA..phi. With the path pulses given to the display device (or further evaluation device) in the counter circuit 23 .

Die Fig. 3a zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Signalauf bereitungsstufe 10 für ein Meßgerät nach der Fig. 1a. Dabei ist die Empfangselektrode 7 mit einem Pufferverstärker 12 verbunden, dem ein Hochpaßfilter 15 nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang ein Integrator 13 angeschlossen ist. Der Ausgang des Integrators 13 ist mit einem Eingang eines Komparators 14 verbunden, dessen zweiter Eingang an ein festes Potential, vorzugsweise ein Null-Potential angeschlossen ist. FIG. 3a shows a possible embodiment of a signal on preparation stage 10 for a measuring apparatus of Fig. 1a. The receiving electrode 7 is connected to a buffer amplifier 12 , which is followed by a high-pass filter 15 , to the output of which an integrator 13 is connected. The output of the integrator 13 is connected to an input of a comparator 14 , the second input of which is connected to a fixed potential, preferably a zero potential.

Bei einem dem Signal nach der Fig. 2b entsprechenden Summensignal am Eingang des Pufferverstärkers 12 kann, wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, am Ausgang des Komparators 14 ein dem Signal nach Fig. 2c entsprechendes Signal abgenommen werden, das der Phasenauswerte schaltung 11 zugeführt wird, die die Zeitdifferenz der Nulldurchgänge des an der ersten Sendeelektrode 3 anliegenden Signales gegenüber jenen des Ausgangssignales des Komparators 14 mißt und daraus die Phasen verschiebung bestimmt, die ein Maß - und zwar erfindungsgemäß eine Konstante - für die gegenseitige Verschiebung der beiden Platten 1 und 2 (Fig. 1a, 1b) ist.In a sum signal corresponding to the signal according to FIG. 2b at the input of the buffer amplifier 12 , as can be seen from the drawing, a signal corresponding to the signal according to FIG. 2c can be taken at the output of the comparator 14 , which is supplied to the phase evaluation circuit 11 , which measures the time difference between the zero crossings of the signal applied to the first transmission electrode 3 and that of the output signal of the comparator 14 and determines the phase shift therefrom, which is a measure - according to the invention a constant - for the mutual displacement of the two plates 1 and 2 ( Fig. 1a, 1b).

Bei der Ausführungsform einer Signalaufbereitungsschaltung 10 nach Fig. 3b, die für ein Meßgerät nach Fig. 1b vorgesehen ist, sind je ein Pufferspeicher 12, 12′ mit den Empfangselektroden 7, 7′ verbunden. Die Ausgänge dieser Pufferverstärker sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 16 verbunden. Damit können Störungen, wie z. B. Brummspannungen, vor der Weiterverarbeitung der abgenommenen Summen signale ausgefiltert werden.In the embodiment of a signal conditioning circuit 10 according to Fig. 3b, which is provided for a measuring device according to Fig. 1b, a buffer memory 12 , 12 ' are each connected to the receiving electrodes 7 , 7' . The outputs of these buffer amplifiers are connected to the inputs of a differential amplifier 16 . This can disturbances such. B. ripple voltages, signals are filtered out before further processing of the sums taken.

Der weitere Aufbau der Signalaufbereitungsschaltung nach Fig. 3b mit dem Hochpaßfilter 15 und dem Integrator 13 samt dem diesem nachge schalteten Komparator 14 ist gleich wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3a.The other configuration of the signal conditioning circuit of FIG. 3b with the high-pass filter 15 and the integrator 13 together with the nachge this upstream comparator 14 is the same as in the embodiment of Fig. 3a.

Die Fig. 4a und 4b zeigen weitere Varianten von erfindungsgemäßen Meßeinrichtungen, bei denen die Sendeelektroden 3, die Elektroden 4 bzw. 4′ und die Empfangselektroden 7, 7′ auf kreis förmigen Scheiben angeordnet sind und zur Messung von gegenseitigen Winkellagen verwendet werden können. Dabei entspricht die Anordnung nach Fig. 4a der Anordnung nach Fig. 1a und die Anordnung nach Fig. 4b jener nach Fig. 1b. FIGS. 4a and 4b show further variants of the present invention measuring devices, in which the transmitting electrodes 3, the electrodes 4 and 4 'and the receiving electrodes 7, 7' are arranged on circular discs and can be used for the measurement of mutual angle positions. The arrangement according to FIG. 4a corresponds to the arrangement according to FIG. 1a and the arrangement according to FIG. 4b corresponds to that according to FIG. 1b.

Bezüglich der Anordnung der Sendeelektroden 3 und der Elektroden 4 bzw. 4′ entsprechen dem Maß a nach der Fig. 1b der Winkel α, dem Maß b der Winkel β, dem Maß d der Winkel δ, dem Maß e der Winkel ε und dem Maß c der Winkel γ.With regard to the arrangement of the transmitting electrodes 3 and the electrodes 4 and 4 ' , the dimension a according to FIG. 1b corresponds to the angle α , the dimension b the angle β , the dimension d the angle δ , the dimension e the angle ε and the dimension c the angle γ .

Wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist, kann grundsätzlich im Bereich der Empfangselektrode(n) 7, 7′ eine Schirmung 21 auf der Platte 1 aufgebracht sein, die die Empfangselektrode 7 bzw. 7′ umgibt. Dabei ist in diesem Bereich an der Unterseite der Platte 1 eine weitere Schirmung 22 angebracht, so daß sich eine Doppelschirmung ergibt. Diese Schirmung ist mit dem Ausgang des Pufferspeichers 12 bzw. 12′ verbunden. As shown in FIGS. 5 and 6, in principle in the area of the receiving electrode (s) 7 , 7 ' a shield 21 can be applied to the plate 1 , which surrounds the receiving electrode 7 and 7' . In this area, a further shield 22 is attached to the underside of the plate 1 , so that there is a double shield. This shield is connected to the output of the buffer memory 12 or 12 ' .

Das Impulsdiagramm nach Fig. 7 zeigt zwei Pulsfolgen, die mit 25 und 26 bezeichnet sind, und darunter den Referenzpuls 24 (Fig. 2). Mit e + d ist die Periodenlänge der auf der Platte 2 (Fig. 1a und Fig. 1b) dargestellten Elektrodenstruktur bezeichnet. Wie aus Fig. 2 weiterhin ersichtlich ist, werden die Pulsfolgen 25 und 26 in der Phasenauswerte schaltung 11 erzeugt und der Anzeigeeinrichtung 11′ zugeführt. Der in der Zählerschaltung 23, die mit der Phasenauswerteschaltung 11 gekop pelt ist, erzeugte Referenzpuls 24 wiederholt sich mit der angeführten Wegperiode e + d, wird den Pulsfolgen 25 und 26 zugeordnet und ermög licht die räumliche Festlegung eines Referenzpunktes auf der Meßstrecke, der für die zu messende Weglänge einen absoluten Bezugspunkt bildet. Dadurch wird es möglich, mit dem inkrementalen Wegmeßverfahren absolute Längen oder Wege zu messen.The pulse diagram according to FIG. 7 shows two pulse sequences, which are designated by 25 and 26 , and below that the reference pulse 24 ( FIG. 2). With e + d is the length of the period on the plate 2 (Fig. 1a and Fig. 1b) indicates electrode structure shown. As can also be seen from FIG. 2, the pulse sequences 25 and 26 are generated in the phase evaluation circuit 11 and supplied to the display device 11 ' . The reference pulse 24 generated in the counter circuit 23 , which is coupled with the phase evaluation circuit 11 , is repeated with the specified travel period e + d , is assigned to the pulse trains 25 and 26 and enables the spatial determination of a reference point on the measuring path which is responsible for the path length to be measured forms an absolute reference point. This makes it possible to measure absolute lengths or distances using the incremental displacement measurement method.

Claims

1. Capacitive device for measuring lengths or angles, with a first electrode surface in the form of arranged in at least one row, preferably T-shaped electrodes and a second electrode surface, with spaced-apart, side-by-side transmission electrodes connected with a pulse generator and with in their mutual phase position shifted same signals are applied, and with at least one extending over the area equipped with the transmitting electrodes of this electrode surface, with an evaluation circuit connected receiving electrode is provided, these two parts against each other ver displaceable or rotatable and arranged substantially parallel to each other are characterized in that the number of transmitting electrodes ( 3 ) arranged in a group, possibly also in several groups, is even and in one group or in each of these groups of the relationship corresponds, where K ( '4, 4) in a Wegperiode (c), which is to be detected, a is the width of the transmitting electrode (3) and b the mutual distance between the transmitting electrodes, the number of transfer electrodes means (3) and the assembly the preferably T-shaped electrodes ( 4 , 4 ' ) corresponds to the relationship e = N · b - d , where e is the space between the electrodes ( 4 , 4' ), preferably the space between the webs ( 5 ) of two neighboring ones their crossbars ( 6 ) adjacent T-shaped electrodes ( 4 , 4 ' ), N the number of combined transmission electrodes ( 3 ) per group and d the width of the transmission electrodes, or the webs ( 5 ) of the T-shaped transmission electrodes means, where N and K are chosen so that they have no common divider and to take into account stray fields that occur at the edges of the electrodes, the width a of the transmitting electrodes and the width d of the receiving electrodes are reduced by a factor of 0.8 to 0.99 compared to the theoretical values resulting from the stated conditions.

2. Capacitive device for measuring angles with a first electrode surface in the form of arranged in at least one row, preferably T-shaped electrodes and a second electrode surface with electrodes which are spaced apart from one another and which are connected to a pulse generator and in their mutually phase shifted identical signals are added, and is provided with at least one receiving electrode which extends over the area of this electrode surface equipped with the transmitting electrodes and is connected to an evaluation circuit, these two electrode surfaces being rotatable relative to one another and essentially overlapping one another, characterized in that that the number of the transmission electrodes ( 3 ) of a relation arranged to a group, possibly to several groups, arranged in a circular arc corresponds to, where K is the number of transmission electrodes ( 4 , 4 ' ) in an angular period ( γ ) to be detected, α the width angle of the transmission electrodes ( 3 ) and b the mutual Winkelab stood the transmission electrodes ( 3 ), and Arrangement of the preferably T-shaped electrodes ( 4 , 4 ' ) corresponds to the relationship e = N · β - δ , where ε between the electrodes ( 4 , 4' ), preferably between the webs ( 5 ) of two neighboring, with their crossbars ( 6 ) adjacent T-shaped transmission electrodes ( 4 , 4 ' ), included angle, N the number of combined transmission electrodes ( 3 ) and δ of the side edges of the individual electrodes, preferably the webs ( 5 ) of the individual T-shaped transmission electrodes mean included angles, where N and K are chosen so that they do not have a common divider, and that to take into account stray fields at the edges of the Electrodes occur, the latitude angle ( α ) of the transmitting electrodes ( 3 ) and the latitude angle ( δ ) of the receiving electrodes ( 4 , 4 ' ) are reduced by a factor of 0.8 to 0.99 compared to the theoretical values resulting from the specified conditions .

3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the width of the electrodes ( 4 , 4 ' ) or the angle which the side edges of the individual electrodes include, the width of the transmitting electrodes ( 3 ) or the angle which corresponds to the Include side edges of each transmit electrode.

4. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the intermediate space ( e , ε ) between the T-shaped electrodes ( 4 , 4 ' ) which are adjacent to one another with their transverse webs ( 6 ) is equal to or greater than the width (d) of their Webs ( 5 ) or as the angle ( δ ), the lateral boundaries include.

5. Measuring device according to claim 4, characterized in that two Rows of interdigitated T-shaped electrodes and two receiving electrodes are provided.

6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that N is an even number.

7. Measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the control circuit of the transmission electrodes ( 3 ) is formed by a clock generator ( 9 ) acted on counter ( 8 ), the first half of its outputs with the odd-numbered transmission electrodes ( 3 ) are connected in increasing order from the first and the second half of its outputs are connected with the even-numbered transmitting electrodes ( 3 ) in increasing order.

8. Measuring device according to claim 1 to 7, characterized in that the evaluation circuit connected to the receiving electrode ( 7 ) by a high-pass filter circuit ( 15 ) and a phase comparison circuit ( 11 ) connected downstream thereof, the second input of which is connected to the first output of the counter ( 8 ) is, is formed.

9. Measuring device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the evaluation circuit connected to the receiving electrode ( 7 ) is connected by an integrator ( 13 ) and a comparator ( 14 ) connected downstream of the integrator ( 13 ), whose comparison input is at zero Potential is, and one of the time difference between the signal of the first output of the counter ( 8 ) of the drive circuit and the output signal of the comparator ( 14 ) detecting circuit is formed.

10. Measuring device according to claim 9, characterized in that the integrator is preceded by a buffer amplifier ( 12 ), at the output of which a shield, preferably a double shield, of the receiving electrode ( 7 , 7 ' ) is connected.

11. Measuring device according to one of claims 5 to 10, characterized in that the two receiving electrodes are connected to the inputs of a differential amplifier ( 16 ).

12. Measuring device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the evaluation circuit ( 11 ) outputs a reference pulse ( 24 ) which is generated by combining the digital signal of the proportional proportional phase shift with the output travel pulses.