DE4040084C2 - Berührungsloses Abstandsmeßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein berührungsloses Abstandsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Zwecke der berührungslosen Abstandsmessung sind Kapazi­ tätsmeßsonden bekannt, welche die bei Änderungen des Abstan­ des zwischen der Meßsonde und einem Gegenstand auftretenden Kapazitätsänderungen dahingehend auswerten, daß daraus ein Abstandssignal gebildet wird (vgl. z. B. DE-PS 21 37 545, US-PS 3 628 136, DE-GM 19 93 219 und DE 31 38 273 A1). Problematisch bei derartigen Abstandsmeßgeräten ist jedoch einerseits der erhebliche bauliche und elektrotechnische Aufwand, der hohe Platzbedarf und die unzureichende Genauig­ keit, wobei es im allgemeinen auch nötig ist, den bezüglich seines Abstandes von der Meßsonde zu bestimmenden Gegenstand zu erden, falls dieser aus Metall besteht.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein neues berührungslo­ ses Abstandsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll dieses neue Meßgerät eine extrem hohe Meßgenauigkeit aufweisen und den Abstand eines räumlich sehr eng begrenzten Meßfleckes von der Meßsonde bestimmen können, wobei der bauliche und elektrotechnische Aufwand gering sein sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnen­ den Teils des Anspruches 1 vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Meßsonde gemäß Anspruch 2 ausgebildet ist.

Das erfindungsgemäße Abstandsgerät ist sowohl zur Messung des Abstandes der Meßsonde von metallischen als auch von nichtmetallischen Gegenständen geeignet. Voraussetzung ist lediglich, daß die Dielektrizitätskonstante des Gegenstandes von der der Luft verschieden ist. Wegen der außerordentlich hohen Meßfrequenz des erfindungsgemäßen Abstandsmeßgerätes braucht der Gegenstand nicht geerdet zu werden. Die Messung beruht nämlich auf der Störung des Feldvorlaufes an der Spitze der Meßsonde, d. h., an deren offenem Ende. Der Meß­ fleck auf dem Gegenstand, von dem der Abstand des offenen Endes der Meßsonde gemessen werden soll, hat lediglich eine Größe, die etwa dem Durchmesser des Innenleiters des Koaxial­ resonators entspricht.

Als Koaxialresonator kann beispielsweise ein eine dünne Seele, darum herum einen Isolierstoff und im Außenbereich eine metallische Abschirmung aufweisendes Koaxialkabel geeig­ neter Länge verwendet werden, wobei die Abschirmung und der Innenleiter an einem Ende beispielsweise über ein geeignet dimensioniertes Koaxialkabel mit dem Oszillator verbunden ist, während das andere Ende einfach abgeschnitten wird und offen bleibt. Als eigentliche, den Bezugsort für die Messung darstellende Spitze der Meßsonde ist das Ende des Innenlei­ ters am offenen Ende anzusehen.

Mit dem erfindungsgemäßen Abstandsmeßgerät gelingt es, eine Meßgenauigkeit von Bruchteilen von µm und insbesondere bis zu 0,02 µm zu erreichen, wobei die letztendlich erreichte Meßgenauigkeit durch das Grundrauschen des Oszillators bestimmt wird. Aufgrund der hohen Frequenz im Gigahertzbe­ reich und der Güte eines λ/2-Koaxialresonators kann man also extrem kleine Wegänderungen messen. Die untere Meßgrenze wird durch die Baugröße des λ/2-Koaxialresonators sowie durch das Grundrauschen des Oszillators bestimmt.

Wenn nach einer bevorzugten Ausführungsform das erfindungsge­ mäße Abstandsmeßgerät zur Bestimmung der Unwucht oder von Schädigungen einer umlaufenden Schleifscheibe verwendet wird, ist die Wegauflösung so groß, daß sogar gröbere Korn­ strukturen der Schleifscheibe beispielsweise auf einem ange­ schlossenen Oszilloskop erkannt werden können und auf jeden Fall die Funktion der Schleifscheibe beeinträchtigende Um­ fangsfehler.

Besonders vorteilhaft wird nach Anspruch 3 eine Frequenzhub- Meßvorrichtung verwendet, da es bei der Abstandsmessung nur auf die Abweichung der bei der Messung vorhandenen Frequenz von einer Normalfrequenz ankommt. Die Frequenzhub-Meßvorrich­ tung kann vorteilhafterweise gemäß Anspruch 4 ausgebildet werden, wobei vorteilhafte Auswertemethoden durch die Ansprü­ che 5 bis 7 gekennzeichnet sind.

Aufgrund der Ausbildung nach Anspruch 8 kann mittels des Referenz-Koaxialresonators auch noch eine weitgehende Tempe­ raturkompensation bei der Messung verwirklicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische blockschaltbildartige Darstellung eines erfindungsgemäßen berüh­ rungslosen Abstandsmeßgerätes in Anwen­ dung bei der Fehlermessung an einer Schleifscheibe,

Fig. 2 eine schematische Axialansicht einer feh­ lerhaften Schleifscheibe mit einer in geringem Abstand von deren Außenumfang angeordneter Meßsonde und

Fig. 3 ein Weg-Zeitdiagramm, wie es vom Oszillos­ kop 21'' nach Fig. 1 aufgezeichnet wird, wenn die umlaufende Schleifscheibe die in Fig. 2 dargestellten Fehler aufweist.

Nach Fig. 1 ist gegenüber dem Außenumfang einer in Pfeilrich­ tung umlaufenden Schleifscheibe 12 ein λ/2-Koaxialresonator 11 als Meßsonde angeordnet. Der Koaxialresonator 11 weist ein offenes Ende 16 auf, an welchem der Innenleiter 22 und die ihn mit Abstand umgebende und durch einen Isolierstoff getrennte metallische Abschirmung keine metallische Verbin­ dung miteinander aufweisen. Am entgegengesetzten Ende 17 ist der Koaxialresonator 11 an einer Basis 23 im Meßgerät unver­ rückbar angeordnet, um die Abstandsmessung nicht durch eine mangelnde Halterung des Koaxialresonators 11 zu beeinträch­ tigen. Bei 24 sind der Innenleiter und die Abschirmung mit einem Oszillator 14 verbunden, der einen im Gigahertzbereich schwingenden Schwingkreis enthält, der entweder durch den Koaxialresonator 11 gebildet wird oder den Koaxialresonator 11 als wichtiges frequenzbestimmendes Element enthält. Die Basis 23 ist zweckmäßigerweise die Platine, die den Oszil­ lator 14 enthält. Der Koaxialresonator 11 ist also über die elektrische Verbindung 24 in den Oszillator 14 integriert.

Der Oszillator 14 ist Bestandteil der Auswerteelektronik 13, innerhalb der außerdem eine Frequenzauswerteschaltung 15 vorgesehen ist. Diese enthält eine Frequenzhub-Meßvorrich­ tung 18, welche aus einem dem Meß-Koaxialresonator 11 genau entsprechenden Referenz-Koaxialresonator 11' mit einem offe­ nen Ende 16' und einem an einen weiteren Oszillator 14' mit gleicher Frequenz und Ausbildung wie der Oszillator 14 bei 24' angeschlossenen anderen Ende 17'. Auch dieser Koaxialre­ sonator 11' ist fest auf einer Basis 23' angebracht, welche bevorzugt die Oszillatorplatine ist.

Die beiden Ausgänge der Oszillatoren 14, 14' sind an eine Frequenzdifferenz-Bildungsstufe 19 angelegt, welche ein aus den Frequenzen der Oszillatoren 14, 14' gebildetes Differenz­ frequenzsignal abgibt. Das Ausgangssignal der Frequenzhub- Meßvorrichtung 18 bzw. der Frequenzdifferenz-Bildungsstufe 19 ist gleich Null, wenn die beiden Eingangssignale die gleiche Frequenz haben, was dann der Fall sein soll, wenn die Meßsonde 11 von einem zu messenden Gegenstand einen extrem großen Abstand hat.

Das Augangssignal der Frequenzdifferenz-Bildungsstufe 19 ist zum einen an einen Differenzfrequenzmesser 20 und zum ande­ ren an ein Analysegerät 21 angelegt, welches aus einem Fre­ quenzmodulations-Detektor 21' und einem an diesen angeschlos­ senen Oszilloskop 21'' besteht.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Abstandsmeßgerätes wird nun anhand der Fig. 1 bis 3 am Beispiel der Unwucht- bzw. Beschädigungsmessung an einer Schleifscheibe 12 beschrieben:

Gemäß Fig. 2 sei angenommen, daß die Schleifscheibe mit einer Exzentrizität 25 von fünf µm gelagert ist, also eine entsprechende Unwucht aufweist. Weiter sei angenommen, daß die Schleifscheibe an ihrem Außenumfang eine Beschädigung 26 in Form einer Kerbe aufweist.

Wenn sich die Schleifscheibe 12 nunmehr dreht und das offene Ende 16 der Meßsonde 11 in geringem Abstand gegenüber dem Außenumfang der Schleifscheibe 12 angeordnet ist, so erfol­ gen periodisch Annäherungen des Außenumfangs der Schleif­ scheibe 12 an das offene Ende der Meßsonde 11, was in Fig. 1 schematisch durch zwei gestrichelte Linien angedeutet ist.

Auf dem Oszilloskop 21'' erscheint dann ein Diagramm, wie es in Fig. 3 schematisch wiedergegeben ist. Die Ordinate gibt die von einem Grundabstand aus gerechneten Wegabweichungen W wieder, die Abszisse die Zeit t.

Man erkennt, daß das von der Frequenzdifferenz-Bildungsstufe 19 abgegebene und im Frequenzmodulations-Detektor 21' analy­ sierte Wegsignal grundsätzlich periodisch um die Abszisse schwankt, wobei die doppelte Amplitude 27 ein Maß für die exzentrische Lagerung der Schleifscheibe 12 ist. Die Kerbe 26 am Außenumfang der Schleifscheibe 12 macht sich durch kleine gegenläufige Spitzen 28 in der Sinuskurve 25 bemerk­ bar. Die Periode 30 der Sinuskurve in Fig. 3 ist durch die Drehzahl bzw. die Zeit bestimmt, die die Schleifscheibe 12 für einen Umlauf benötigt.

Auf dem Oszilloskop 21'' wird also die Fehlerhaftigkeit der Lagerung und der Ausbildung der Schleifscheibe 12 mit einer sehr hohen Auflösung analysiert.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann aber auch der in Fig. 1 angedeutete Basisabstand 31 des offenen Endes 16 des Koaxialresonators 11 vom Außenumfang der Schleifscheibe 12 bestimmt werden, indem der Frequenzmesser 20 die durch die­ sen Abstand 31 bedingte Differenzfrequenz zur Anzeige bringt. Das entsprechende Anzeigegerät 20 kann gleich in Abständen geeicht werden.

Obwohl das erfindungsgemäße Abstandsmeßgerät am Beispiel der Unwucht- und Beschädigungsmessung an einer Schleifscheibe 12 beschrieben worden ist, ist es auch für andere Abstands- bzw. Abstandsänderungs-Messungen verwendbar, wo es auf eine Meßgenauigkeit im Bereich sogar von Bruchteilen von um an­ kommt. In besonders vorteilhafter Weise kommen hier als Meßobjekte Drehkörper in Betracht, deren Unwucht (Wellen­ schlag) bestimmt werden kann. Es lassen sich mittels der erfindungsgemäßen Meßsonde aber auch Schwingungen beliebiger Art im Bereich von weniger als ein um analysieren, beispiels­ weise die Schwingungen von Gläsern, Gehäuseteilen, Lautspre­ chermembranen, Fundamenten usw. Ein besonderer Vorzug des berührungslosen Abstandsmeßgerätes gemäß der Erfindung ist, daß es das Schwingungsverhalten der gemessenen Teile nicht beeinflußt.

Der Referenz-Koaxialresonator 11' kann auch zur Temperatur­ kompensation verwendet werden, indem er im gleichen Tempera­ turbereich wie der Meß-Koaxialresonator 11 angeordnet ist. Entsprechendes gilt für die Oszillatoren 14, 14'. Soweit die Bestandteile dieser Schaltung in gleicher Weise mit der Tem­ peratur aber auch mit der Zeit in gleicher Weise driften, macht sich dies im Ausgangssignal nicht bemerkbar.

Von besonderer Bedeutung ist, daß die Differenzfrequenz am Ausgang der Frequenzdifferenz-Bildungsstufe 19 proportional der absoluten Abstandsänderung ist. Im übrigen hängt die Frequenzdifferenz nur noch von einem Faktor ab, der durch das zu vermessende Material bestimmt ist. Materialabhängig kann der Frequenzmesser 20 auf Abstände bzw. Abstandsänderun­ gen geeicht werden.

In dem Frequenzmodulationsdetektor 21' wird bei schwingenden Bewegungen des Gegenstandes 12 die Frequenzmodulation ausge­ wertet. Sie ist ebenfalls proportional der Schwingbewegung.

Für kleine, kurze Meßsonden kann man erfindungsgemäß mit besonderem Vorteil koaxiale Keramikresonatoren verwenden, da diese durch die hohe Dielektrizitätskonstante sehr kurz (z. B. 12 mm bei 1 GHZ) ausgebildet werden und bevorzugt Temperaturkoeffizienten von 0 ppm pro °K aufweisen können. Statt durch den zweiten Oszillator 14' kann eine Frequenzher­ absetzung auch durch einen dem Oszillator 14 folgenden viel­ stufigen Frequenzteiler, der die Frequenz z. B. um einen Faktor 100 herabsetzt, erfolgen. Eine Meßfrequenz von 1 GHZ kann auf diese Weise auf 10 MHZ herabgesetzt werden, was eine einfachere Auswertung erlaubt.

Der erfindungsgemäße Gigahertzbereich liegt bevorzugt in der Größenordnung von 1 GHZ. Er kann sich bevorzugt von etwa 400 MZH bis 1,6 GHZ insbesondere 800 MHZ bis 1,2 GHZ erstrecken und liegt insbesondere um 1 GHZ.

Der Innenleiter 22, 22' kann einen Durchmesser von etwa 1 mm aufweisen. Der normale Meßabstand A (Fig. 2) zwischen offe­ nem Ende 16 und Gegenstand 12 liegt in der Größenordnung von 1 mm. Hier ergibt eine Abstandsschwankung von ± 100 µm bei einer Grundfrequenz von 1 GHZ eine Frequenzschwankung von 6 MHZ.

Claims (9)

1. Berührungsloses Abstandsmeßgerät mit einer Meßsonde (11), deren Abstand von einem Gegenstand (12) durch Auswertung der Kapazität zwischen Meßsonde (11) und Gegenstand (12) in einer an die Meßsonde (11) angeschlossenen Auswerte­ elektronik (13) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteelektronik (13) einen im Gigahertzbereich arbeitenden Oszillator (14) aufweist, der einerseits an eine Frequenzauswerte­ schaltung (15) und anderereits an einen Teil des Schwing­ kreises und die Meßsonde (11) bildenden Meß-Koaxialresona­ tor angeschlossen ist, dessen eines Ende (16) offen ist und den Bezugsort für die Abstandsmessung darstellt, wäh­ rend das andere Ende (17) mit dem Oszillator (14) verbun­ den ist, wobei die Frequenzauswerteschaltung (15) aus der vom Abstand des offenen Endes (16) vom Gegenstand (12) abhängigen Frequenzänderung des Oszillators (14) ein abso­ lutes oder relatives Abstandssignal bildet.

2. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (11) ein λ/2- oder λ/4-Koaxialresonator ist.

3. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzauswerte­ schaltung (15) eine Frequenzhub-Meßvorrichtung (18) ent­ hält, welche die Frequenzabweichung des Oszillators (14) von einem Normalwert, der vorzugsweise bei sehr großem Abstand der Meßsonde (11) von einem Gegenstand (12) vor­ liegt, bestimmt.

4. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzhub-Meß­ vorrichtung einen zweiten, gleichartigen Oszillator (14') mit daran angeschlossenem zweiten gleichartigen Referenz- Koaxialresonator (11'), der in größenordnungsmäßigen grö­ ßerem Abstand vom Gegenstand (12) als der Meß-Koaxialreso­ nator (11) angeordnet ist und eine Frequenz-Differenz- Bildungsstufe (19) umfaßt, an deren beiden Eingängen die Frequenzsignale der beiden Oszillatoren (14, 14') anlie­ gen und deren Frequenzdifferenz-Ausgangssignal zur Ab­ standsbestimmung ausgewertet wird.

5. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzhub-Meßvor­ richtung (18) an einen vorzugsweise in absoluten Abstän­ den geeichten Differenzfrequenzmesser (20) angelegt ist.

6. Abstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Frequenz­ hub-Meßvorrichtung (18) ein periodische Differenzfre­ quenz-Änderungen feststellendes Analysegerät (21) auf­ weist.

7. Abstandsmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysegerät (21) aus einem Frequenzmodulations-Detektor (21') und einem daran angeschlossenen Oszilloskop (21'') besteht.

8. Abstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Referenz- Koaxialresonator (11') innerhalb des gleichen Temperatur­ bereiches wie der Meß-Koaxialresonator (11) angeordnet ist.

9. Abstandsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als Schleif­ scheiben-Unwucht- und/oder -Beschädigungs-Feststellgerät verwendet wird.