DE4119244A1 - Kapazitive sensoreinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kapazitive Sensoreinrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1. Eine derartige kapazitive Sensoreinrichtung gehört bereits zum Stand der Technik und enthält einen Sensorkopf, der eine Elektrode trägt, an die ein Sensorpotential anlegbar ist.

Mit Hilfe der genannten Sensoreinrichtung läßt sich auf kapazitivem Wege z. B. der Abstand zwischen der Oberfläche eines leitfähigen Werkstücks und der Elektrode des Sensorkopfs und damit der Abstand zwischen dem Werkstück und einem mit dem Sensorkopf verbundenen Werkzeug messen bzw. konstant­ halten.

Die am Sensorkopf vorhandene Elektrode bildet zusammen mit dem Werkstück als Gegenelektrode einen Meßkondensator, der mit Hilfe einer Stromquelle ge­ speist wird. Die Stromquelle empfängt eine Versorgungsspannung und liefert ausgangsseitig einen Wechselstrom i_C(t) mit konstanter Amplitude I. Wird mit X_C der Blindwiderstand 1/ωC des Meßkondensators bezeichnet, so ergibt sich für die Spannung am Meßkondensator der folgende Ausdruck:

U_C(t) = X_C · i_C(t) (1)

Mit X_C=1/ωC, ω=2πf und C=ε·A/d (gilt für den idealen Plattenkondensator) sowie mit i_C(t)=I × sin (ωt) folgt:

Hierin sind d der Abstand zwischen den Kondensatorplatten des Meßkondensators, ε die Dielektrizitätskonstante, f die Frequenz, A die Fläche der Kondensatorplatten und I die konstante Amplitude des Wechselstroms i_C(t).

Betrachtet man den Ausdruck

als Konstante, sofern die Frequenz f konstant ist, so ergibt sich:

U_C(t) ∼ d · sin 2 πft (3)

Man erhält also am Meßkondensator eine sinusförmige Meßspannung U_C(t), deren Amplitude direkt proportional zum Abstand d ist. Durch Vergleich der Meßspannung U_C(t) mit einer vorgegebenen Spannung kann daher der Abstand d ermittelt oder mit Hilfe einer Regelschaltung so geregelt werden, daß er kon­ stant bleibt, wenn die Elektrode zusammen mit dem Sensorkopf bzw. dem Werkzeug parallel zur Werkstückoberfläche bewegt wird.

Andererseits ist es auch möglich, bei konstantem Abstand zwischen den Kon­ densatorplatten anhand der Variation der Dielektrizitätskonstanten ε die Dicke eines Werkstücks zu messen, das zwischen den Kondensatorplatten hindurch­ geschoben wird.

Von Nachteil ist allerdings, daß die Abtastung des Werkstücks mit Hilfe des Sensorkopfs praktisch nur punktweise erfolgen kann, so daß sich die her­ kömmliche Sensoreinrichtung nicht dafür eignet, Oberflächenverläufe oder Dickenprofile von Werkstücken in kürzerer Zeit abtasten zu können. Um hier zu einem besseren Ergebnis zu gelangen, könnte man daran denken, mehrere Sen­ sorköpfe gleichzeitig zu verwenden, jedoch müßten dann für diejeweiligen Sen­ sorköpfe getrennte Elektronikschaltungen vorhanden sein, um die jeweils er­ haltenen Meßspannungen auszuwerten.

Die beschriebene Sensoreinrichtung läßt sich darüber hinaus aber auch bei punktweiser Abtastung eines Werkstücks nur in beschränktem Umfang einset­ zen, nämlich nur dann, wenn bei der Abtastung keine zusätzliche leitfähige Ma­ terie zwischen den Kondensatorplatten erzeugt wird. Dies kann z. B. der Fall bei Sensorköpfen sein, die zum Laserschweißen verwendet werden. Wird ein derar­ tiger Sensorkopf zum CO₂-Schweißen eingesetzt, so bildet sich ein Plasma zwi­ schen der Sensorspitze und dem Werkstück, was zur Folge hat, daß eine Ab­ standsmessung und damit Abstandsregelung praktisch nicht mehr möglich ist. Beim CO₂-Laserschweißen müssen somit spezielle Sensorköpfe verwendet werden, bei denen die Elektrode zur Abstandsmessung nicht mehr direkt unter­ halb der Düsenspitze im jeweiligen Schweißbereich liegen darf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kapazitive Sensoreinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich ein größerer Bereich eines auszumessenden Körpers in kurzer Zeit kapazitiv abtasten läßt und die dar­ über hinaus im Sensorbereich in einfacher Weise an unterschiedliche Aufga­ benstellungen angepaßt werden kann. Dabei soll in beiden Fällen nur eine Aus­ werteschaltung zum Auswerten der erhaltenen Meßspannungen vorhanden sein.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine kapazitive Sensoreinrichtung nach der Erfindung mit einem Sensorkopf, der eine Elektrode trägt, an die ein Sensorpotential anlegbar ist, zeichnet sich dadurch aus, daß

• - der Sensorkopf wenigstens eine benachbart zur Elektrode liegende weitere Elektrode trägt und
• - eine Umschalteinrichtung vorhanden ist, um wahlweise das Sensorpotential oder ein Schirmpotential an die einzelnen Elektroden anlegen zu können.

Durch die Umschalteinrichtung ist es möglich, in Übereinstimmung mit der Aufgabenstellung und dem Verwendungszweck der Sensoreinrichtung die je­ weils erforderlichen Potentiale an die entsprechenden Elektroden anzulegen. Hierzu kann die Umschalteinrichtung beispielsweise von einem Mikroprozes­ sor angesteuert werden.

An einer Position des Sensorkopfs läßt sich daher bei geeigneter Positionierung der Elektroden ein Werkstück an einer der Anzahl der Elektroden entsprechen­ den Anzahl von Positionen abtasten, so daß das Werkstückrelativ schnell kapazitiv ausgemessen werden kann. Die jeweils aktive Elektrode wird auf Sensor­ potential gelegt, während die restlichen Elektroden auf Schirmpotential liegen. Danach wird eine andere Elektrode als aktive Elektrode ausgewählt, usw. Je nach gewünschtem Auflösungsvermögen können pro Meßvorgang auch mehr als eine Elektrode gleichzeitig auf Sensorpotential gelegt werden, falls dies ge­ wünscht oder möglich ist.

Im Falle von düsenförmigen Sensorköpfen, die Elektrodenanordnungen an ihrer Spitze tragen und die z. B. zum Laserschweißen eingesetzt werden, läßt sich mit Hilfe der genannten Umschalteinrichtung die Beschaltung der Elektroden an der Spitze des Sensorkopfs ändern, und zwar je nach Verwendung des Sen­ sorkopfs. So kann im Falle des CO₂-Laserschweißens die an der Spitze des Sen­ sorkopfs liegende Elektrode auf Schirmpotential gelegt werden, während eine unmittelbar darüberliegende Elektrode auf Sensorpotential zu liegen kommt, um auf diesem Wege eine Abstands- oder Kollisionsmessung durchzuführen. Wird der Sensorkopf für andere Aufgaben verwendet, bei denen sich kein leitfähiges Medium zwischen seiner Spitzenelektrode und dem Werkstück bildet, so kann die Spitzenelektrode auf Sensorpotential geschaltet werden, während dann die darüberliegende Elektrode auf Schirmpotential zu liegen kommt.

Die Umschalteinrichtung erlaubt die verschiedensten Elektrodenkonfiguratio­ nen und Gruppierungen, wie weiter unten näher erläutert wird. Die Sensorein­ richtung ist daher sehr flexibel sowie preisgünstig, da sie mit nur einer einzigen elektronischen Schaltung zum Auswerten der über die Elektroden gelieferten Meßspannungen auskommt.

Nach einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Schirmpo­ tential ein aktives Schirmpotential. Das aktive Schirmpotential wird dadurch erhalten, daß das Sensorpotential über einen Verstärker mit dem Verstär­ kungsgrad V = 1 geführt wird. Das am Ausgang des Verstärkers erscheinende Potential stellt dann das aktive Schirmpotential dar, das denjenigen Elektro­ den zugeführt wird, die zu Schirmzwecken verwendet werden sollen. Hierdurch wird erreicht, daß zwischen den auf Schirmpotential liegenden Elektroden und den auf Sensorpotential liegenden Elektroden keine Potentialdifferenz auftritt, also zwischen ihnen kein Feldlinienverlauf vorhanden ist, so daß sich über die auf Sensorpotential liegenden Elektroden ein sehr genaues Meßsignal erzeugen läßt.

Die einzelnen Elektroden des Sensorkopfs können z. B. in eindimensionaler oder in zweidimensionaler Verteilung angeordnet sein. Beispielsweise können sie entlang von geraden oder gekrümmten Linien liegen, aber auch in zweidi­ mensionaler Verteilung die Oberflächen von Quadern, Kugeln, Kegeln und Zy­ lindern bedecken. Für den Fall der Anordnung mehrerer Elektroden entlang ei­ ner Geraden oder Kreislinie kann eine Relativbewegung zwischen Sensorkopf und abzutastendem Körper senkrecht zur Geraden bzw. Linie durchgeführt werden, wenn größere Körperbereiche ausgemessen werden sollen. Befinden sich dagegen die einzelnen Elektroden auf der gekrümmten Umfangsoberfläche eines Sensorkopfs und koaxial zu diesem, so sind weitere Einsatzmöglichkeiten denkbar, beispielsweise die Zentrierung des Sensorkopfs und mit ihm eines Werkzeugs in einer entsprechenden Ausnehmung eines Werkstücks.

Nach einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die jeweiligen Gruppen von Elektroden in einem auf Schirmpotential liegenden Sensorkopf­ teil eingebettet und ihm gegenüber elektrisch isoliert. Der Sensorkopfteil um­ schließt die Elektroden seitlich und deckt sie an ihrer Rückseite ab, so daß sie möglichst vollständig gegenüber äußeren Störeinflüssen abgeschirmt sind. Dieser Sensorkopfteil liegt permanent auf Schirmpotential. Dagegen sind die von ihm eingeschlossenen Elektroden, deren Oberfläche frei liegt, wahlweise auf Sensorpotential und Schirmpotential legbar. Das Schirmpotential des Sen­ sorkopfteils ist auch hier wieder vorzugsweise aktives Schirmpotential, um pa­ rasitäre Kapazitäten zwischen Sensorkopfteil und Elektroden vollständig aus­ zuschließen.

Nach einer anderen sehr vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist eine der Elektroden als eine an der Spitze eines düsenförmigen Sensorkopfs liegende Sensorelektrode und eine andere der Elektroden als Ringelektrode ausgebildet, die oberhalb der Sensorelektrode liegt. Sensorelektrode und Ringelektrode sind gegeneinander und gegenüber dem Düsenkopf elektrisch isoliert und mit Hilfe der Umschalteinrichtung auf Sensorpotential und Schirmpotential leg­ bar.

Kann ausgeschlossen werden, daß sich zwischen Sensorelektrode und Werk­ stück ein leitfähiges Medium bildet, so kann die Sensorelektrode auf Sensorpo­ tential gelegt werden, während die Ringelektrode auf Schirmpotential liegt. In diesem Fall läßt sich eine sehr genaue Abstandsmessung relativ zum Werk­ stück durchführen, um den Sensorkopf entlang der Werkstückoberfläche zu führen. Tritt jedoch ein leitfähiges Medium z. B. beim CO₂-Laserschweißen zwi­ schen Sensorelektrode und Werkstück auf, so wird die Sensorelektrode auf Schirmpotential gelegt, um den unter ihr liegenden Bereich bei der Abstands­ messung auszublenden. Die darüberliegende Schirmelektrode liegt dann auf Sensorpotential, um die Abstandsmessung durchzuführen.

Bei den beiden zuletzt genannten Elektrodenbeschaltungen bleiben die Potenti­ ale nach ihrer Einstellung während des Meßvorgangs konstant. Dagegen ist es aber auch möglich, während eines Meßvorgangs die genannten Potentiale peri­ odisch zu vertauschen, um eine Abstandsmessung vorzunehmen, wenn das Sensorpotential an der Sensorelektrode liegt, und um eine Kollisionsüberwa­ chung durchzuführen, wenn das Sensorpotential an der Ringelektrode liegt. Sowohl Abstandsmessung als auch Kollisionsüberwachung erfolgen mit Hilfe derselben Meßschaltung, da ihr die jeweiligen Meßspannungen über die Um­ schalteinrichtung zugeführt werden können.

Nach einer vorteilhaften anderen Ausgestaltung der Erfindung können Sensor­ elektrode und/oder Ringelektrode in mehrere in Umfangsrichtung liegende Sensor- bzw. Ringelektrodensegmente unterteilt sein, welche gegeneinander elektrisch isoliert sind, um auf diese Weise der Sensoreinrichtung eine Rich­ tungsempfindlichkeit zu verleihen. Die einzelnen Elektrodensegmente von Sensorelektrode und Ringelektrode können gezielt auf Sensorpotential gelegt werden, um Abstandsmessungen in gewünschten seitlichen Richtungen durchführen zu können. Auf diese Weise läßt sich z. B. eine Nahtführung, etwa bei Kehlnähten, realisieren.

Die bereits erwähnte Ringelektrode, die in axialer Richtung des Sensorkopfs oberhalb der Sensorelektrode liegt, kann auch als flächige Mantelelektrode ausgebildet sein, um auf diese Weise ein besonders großes und empfindliches Sichtfeld in seitlicher Richtung für die Kollisionsüberwachung zu erhalten.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Umschaltein­ richtung mit den jeweiligen Elektroden bzw. Elektrodensegmenten verbundene Wechselschalter auf. Die Wechselschalter können, wie bereits erwähnt, mit Hil­ fe eines Mikroprozessors angesteuert werden, um die Elektroden gezielt auf Sensorpotential und Schirmpotential zu legen. Vorzugsweise sind die Wechsel­ schalter CMOS-Schalter, da diese die erforderliche geringe Eingangskapazität aufweisen und im ausgeschalteten Zustand relativ hochohmig sind.

Wie bereits erwähnt, kann die Umschalteinrichtung durch einen Mikroprozes­ sor angesteuert werden, um die einzelnen Wechselschalter z. B. programmge­ steuert zu öffnen und zu schließen. Ein entsprechendes Programm zur Um­ schaltung der Wechselschalter läßt sich z. B. in Abhängigkeit des verwendeten Sensorkopfs automatisch auswählen, wenn der Sensorkopf mit der elektroni­ schen Auswerteeinheit verbunden wird. Die von den Elektroden kommenden Meßsignale werden dann zunächst in einem Zwischenspeicher der elektroni­ schen Auswerteeinheit zwischengespeichert und können anschließend in ge­ wünschter Weise weiterverarbeitet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine kapazitive Sensoreinrichtung mit einem Sensorkopf, der in einer Zeile nebeneinander angeordnete Elektroden trägt,

Fig. 2 einen Sensorkopf mit matrixförmig angeordneten Elektroden,

Fig. 3 einen hohlzylindrischen Sensorkopf mit in Kopfumfangsrichtung ne­ beneinanderliegend angeordneten Elektroden,

Fig. 4 einen düsenförmigen Sensorkopf mit einer Sensorelektrode im Spit­ zenbereich sowie mit weiteren und an seiner äußeren Oberfläche lie­ genden Ringelektroden,

Fig. 5 einen düsenförmigen Sensorkopf mit einer Sensorelektrode in seinem Spitzenbereich sowie mit einer weiteren, an seiner äußeren Oberflä­ che liegenden Mantelelektrode,

Fig. 6 den genaueren Aufbau eines düsenförmigen Sensorkopfs, teilweise im Schnitt, wobei die Sensorelektrode durch die Ringelektrode gehalten wird,

Fig. 7a bis 7c Draufsichten auf die Sensorelektrode von Fig. 6, die in Segmente unterteilt ist,

Fig. 8 einen Schnitt durch einen anderen düsenförmigen Sensorkopf und

Fig. 9 einen Schnitt durch einen noch anderen düsenförmigen Sensorkopf.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer kapazitiven Sensoreinrich­ tung nach der Erfindung. Diese Sensoreinrichtung enthält einen Sensorkopf 1, der mehrere Elektroden 2 trägt, die nebeneinanderliegend entlang einer Gera­ den angeordnet sind. Im vorliegenden Fall sind nur sechs Elektroden 2 darge­ stellt, wobei die Anzahl der Elektroden 2 tatsächlich sehr viel größer ist und z. B. 100 oder mehr betragen kann. Die Elektroden 2 sind im Sensorkopf 1 ein­ gebettet, derart, daß sie seitlich und in ihrem hinteren Bereich vom Sensorkopf 1 abgedeckt bzw. abgeschirmt werden. Der Sensorkopf 1 besteht aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise aus Metall, und liegt auf aktivem Schirmpotential.

Die Elektroden 2 sind plattenförmig ausgebildet und weisen beispielsweise eine quadratische Form auf. Sie bestehen ebenfalls aus Metall und sind mit ihren Seitenflächen dicht nebeneinanderliegend angeordnet. Dabei sind sie so weit in den Sensorkopf 1 eingelassen, daß ihre freie Vorderfläche mit der Oberfläche des Sensorkopfs 1 fluchtet. Zur Befestigung der Elektroden 2 am Sensorkopf 1 sind diese mit dem Sensorkopf 1 verklebt. Insgesamt kommen somit die Vorder­ flächen der Elektroden 2 in einer Ebene zu liegen, in der auch die Vorderfläche des Sensorkopfs 1 liegt, die die Elektroden 2 vollständig umgibt.

Die Elektroden 2 sind darüber hinaus untereinander und gegenüber dem Sen­ sorkopf 1 elektrisch isoliert. Hierzu können die Elektroden 2 eine Oberflächen­ beschichtung aus elektrisch isolierendem Material tragen, beispielsweise eine Oxidschicht. Auch die Oberfläche des Sensorkopfs 1 kann mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenbeschichtung bzw. Oxidschicht versehen sein, so daß keine Kurzschlüsse zwischen den Elektroden untereinander und dem Sensor­ kopf 1 auftreten können, auch dann nicht, wenn versehentlich elektrisch lei­ tende Partikel auf die Abtastoberfläche des Sensorkopfs 1 auftreffen sollten.

Jede Elektrode 2 ist über eine abgeschirmte Leitung 3 mit einem gemeinsamen Anschluß 4a eines Wechselschalters 4 verbunden, dessen einer Umschaltkon­ takt 4b auf aktivem Schirmpotential und dessen anderer Umschaltkontakt 4c auf Sensorpotential liegen. Je nach Schaltstellung des Wechselschalters 4 läßt sich somit an die genannte Elektrode 2 das aktive Schirmpotential oder das Sensorpotential anlegen. Der Sensorkopf 1 liegt permanent auf aktivem Schirmpotential. Die einen Umschaltkontakte 4b sämtlicher Wechselschalter 4 können über eine gemeinsame Leitung 5 miteinander verbunden sein, an der das aktive Schirmpotential anliegt, während die anderen Umschaltkontakte 4c sämtlicher Wechselschalter 4 mit einer gemeinsamen Leitung 6 verbunden sind, die das Sensorpotential empfängt. Die Umschaltung der einzelnen Wech­ selschalter 4 erfolgt jeweils über getrennte Steuerleitungen 7. Sämtliche Wech­ selschalter 4 sowie mindestens die gemeinsame Leitung 6 sind durch eine Schirmung 8 gegenüber äußeren Störeinflüssen abgeschirmt.

Die gemeinsamen Leitungen 5 und 6 sowie die Steuerleitungen 7 sind mit einer nicht dargestellten Steuerelektronik verbunden, mit deren Hilfe sich z. B. pro­ grammgesteuert die einzelnen Wechselschalter umschalten lassen. Hierzu werden entsprechende Steuersignale über die Steuerleitungen 7 an die Wech­ selschalter 4 übertragen. Die Wechselschalter 4 sind vorzugsweise CMOS- Schalter, die eine relativ kleine Eingangskapazität aufweisen und im ausge­ schalteten Zustand hochohmig sind. Die Ansteuerung der Wechselschalter 4 kann so erfolgen, daß beispielsweise zu einem ersten Zeitpunkt nur die ganz links in Fig. 1 liegende Elektrode 2 auf Sensorpotential gelegt wird, während sämtliche anderen Elektroden 2 auf aktivem Schirmpotential liegen. Danach wird die benachbarte Elektrode 2 auf Sensorpotential gelegt, während wieder­ um alle restlichen Elektroden 2, also auch die zuerst genannte Elektrode 2, auf aktivem Schirmpotential liegen, usw. Mit anderen Worten wird die jeweils mes­ sende Elektrode 2 von links nach rechts in Fig. 1 durchgeschaltet. Statt einer können auch zwei oder mehrere Elektroden 2 als Gruppe in Zeilenrichtung durchgeschaltet werden. Dies hängt unter anderem vom jeweils gewünschten Auflösungsvermögen ab. Selbstverständlich ist es möglich, auch bei Durch­ schalten nur einer einzigen Elektrode die dann erhaltenen Meßsignale zu einem späteren Zeitpunkt auf rechnerischem Wege zusammenzufassen. Dies erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Mikroprozessors in der genannten Steuereinrich­ tung.

Dadurch, daß die nichtmessenden Elektroden 2 sowie der Sensorkopf 1 auf ak­ tivem Schirmpotential liegen, wird bezüglich der messenden Elektroden 2 eine gewisse Richtwirkung erhalten. Diese Richtwirkung läßt sich noch dadurch steigern, daß das aktive Schirmpotential über das Sensorpotential hinaus er­ höht wird.

Das unter Fig. 1 beschriebene Prinzip läßt sich selbstverständlich auch auf kapazitive Sensoreinrichtungen übertragen, bei denen Sensorkopf und Elektro­ den in anderer Weise ausgebildet bzw. angeordnet sind.

So zeigt die Fig. 2 einen zweidimensionalen bzw. flächigen Sensorkopf 9, der als ebene, quadratische Platte ausgebildet ist. Er weist an seiner einen Hauptober­ fläche 10 eine quadratische Vertiefung 11 auf, die zur Aufnahme einer Vielzahl von Elektroden 12 dient. Die Elektroden 12 sind in der quadratischen Vertie­ fung 11 matrixförmig angeordnet, so daß Elektrodenzeilen und Elektroden­ spalten entstehen. Auch hier sind die Elektroden 12 plattenförmig ausgebildet, wobei sie so weit in die quadratische Vertiefung 11 eingebettet sind, daß ihre Oberfläche mit der Hauptoberfläche 10 des Sensorkopfs 9 fluchtet. Ansonsten entspricht der Aufbau des in Fig. 2 gezeigten Sensorkopfs 9 dem Aufbau des in Fig. 1 gezeigten Sensorkopfs 1. Dabei ist wiederum jede Elektrode 12 über einen nicht dargestellten Wechselschalter 4 auf aktives Schirmpotential oder auf Sensorpotential legbar. Über die Steuerelektronik lassen sich in Abhängigkeit vom Anwendungsfall die einzelnen Elektroden 12 dann in gewünschter Weise zur kapazitiven Messung ansteuern.

In der Fig. 3 ist ein hohlzylindrischer Sensorkopf 13 dargestellt, bei dem Elek­ troden 14 an seiner äußeren Umfangsfläche angeordnet sind. Die Elektroden 14 sind in Umfangsrichtung des zylinderförmigen Sensorkopfs 13 nebeneinanderliegend angeordnet, und zwar in zwei übereinanderliegenden Ringen. Die Anzahl der Ringe kann auch kleiner oder größer sein. Die Elektroden 14 sind so in die äußere Oberfläche des zylindrischen Sensorkopfs 13 eingebettet, daß stirnseitige Bereiche 15 und 16 des Sensorkopfs 13 verbleiben und die Elektro­ den 14 ferner an ihrer rückwärtigen Fläche vom Sensorkopf 13 abgedeckt bzw. abgeschirmt werden. Der gesamte Sensorkopf 13 liegt permanent auf aktivem Schirmpotential, während die Elektroden 14 wiederum über Wechselschalter 4 (nicht dargestellt) wahlweise auf aktives Schirmpotential oder auf Sensorpo­ tential gelegt werden können. So lassen sich die Elektroden 14 mit Hilfe der nicht dargestellten Steuereinrichtung in Umfangsrichtung nacheinander auf Sensorpotential legen, so daß das Sichtfeld des Sensorkopfs 13 um 360° ge­ dreht werden kann. Wie viele Elektroden 14 in wie vielen Ringen gleichzeitig auf Sensorpotential gelegt werden, hängt vom gewünschten Auflösungsvermögen ab. Ansonsten entspricht der Aufbau des zylindrischen Sensorkopfs 13 demje­ nigen des in Fig. 1 gezeigten Sensorkopfs 1.

Der Aufbau des in Fig. 3 gezeigten Sensorkopfs läßt sich ohne weiteres auch auf kugelförmige oder kegelförmige Sensorköpfe übertragen, um geeignete Sensor­ köpfe für spezielle Anwendungszwecke zur Verfügung stellen zu können. Dabei können die Oberflächen der Elektroden der jeweiligen Sensorköpfe die gleiche Oberflächenkrümmung wie die Sensorköpfe selbst aufweisen. Sind die Elektro­ den klein genug, so können sie auch bei gekrümmten Sensorköpfen eine ebene Oberfläche besitzen.

Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer kapazitiven Sensorein­ richtung nach der Erfindung. Diese Sensoreinrichtung weist einen düsenförmigen Sensorkopf 17 auf, der z. B. beim Laserschweißen zum Einsatz kommt. Der düsenförmige Sensorkopf 17 trägt an seiner Spitze eine Sensorelektrode 18, die eine zentrale Öffnung zum Durchtritt des Laserstrahls aufweist. Ein Werkstück ist in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 19 versehen. In Axialrichtung oberhalb der Sensorelektrode 18 sind am äußeren Umfang des Sensorkopfs 17 hintereinanderliegend ringförmige Elektroden 20 angeordnet, deren Oberflächen parallel zur Oberfläche des Sensorkopfs verlaufen. Die ringförmigen Elektroden 20, die Hohlkegel darstellen, liegen dicht aneinander und sind untereinander sowie ge­ genüber dem düsenförmigen Sensorkopf 17 elektrisch isoliert. Hierzu können sie ebenfalls eine elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung, beispiels­ weise eine Oxidschicht, tragen. Darüber hinaus ist auch die Sensorelektrode 18 gegenüber dem Sensorkopf 17 und den ringförmigen Elektroden 20 elektrisch isoliert, z. B. ebenfalls durch eine Oxidschicht.

Sämtliche Elektroden 18 und 20 sind wiederum über abgeschirmte elektrische Leitungen mit jeweiligen Wechselschaltern 4 (nicht dargestellt) verbunden, um wahlweise Sensorpotential oder aktives Schirmpotential zu empfangen.

Soll mit Hilfe der in Fig. 4 gezeigten Sensoreinrichtung der Abstand eines nicht dargestellten Werkzeugs relativ zur Oberfläche des Werkstücks 19 konstantge­ halten werden, so erfolgt im allgemeinen eine Messung mit Hilfe der Sensorelek­ trode 18, die dann auf Sensorpotential liegt. Die von der Sensorelektrode 18 ab­ genommene Meßspannung wird mit einer vorgegebenen Spannung verglichen, um somit den Abstand der Sensorelektrode 18 relativ zum Werkstück 19 und damit den Abstand des Werkzeugs relativ zum Werkstück 19 konstantzuhalten. Zu diesem Zeitpunkt befinden sich die Elektroden 20 auf aktivem Schirmpoten­ tial, um eine möglichst exakte Messung des Abstands vornehmen zu können.

Ist der Sichtbereich der Sensorelektrode 18 zu klein, so kann auf einen größe­ ren Sichtbereich umgeschaltet werden. Hierzu wird z. B. aktives Schirmpotential an die Sensorelektrode 18 gelegt, während eine oder mehrere benachbarte Ringelektroden 20 das Sensorpotential empfangen. In Fig. 4 ist der Fall darge­ stellt, daß jeweils die beiden oberen und unteren Ringelektroden 20 sowie die Sensorelektrode 18 auf aktivem Schirmpotential liegen, während nur die bei­ den mittleren Ringelektroden das Sensorpotential empfangen. Der Feldlinien­ verlauf ist jetzt wesentlich ausgedehnter als im Falle der Einschaltung der Sen­ sorelektrode 18, wobei zusätzlich eine Richtwirkung durch die auf aktivem Schirmpotential liegenden Ringelektroden erhalten wird.

Eine derartige Sichtbereichserweiterung wird z. B. dann durchgeführt, wenn eine Kollisionsvorwarnung erfolgen soll. Durch das größere Sichtfeld lassen sich frühzeitig Strukturen im Bereich der Bewegungsbahn des Sensorkopfs er­ kennen, gegen die der Sensorkopf unter Umständen gefahren werden könnte. Wird eine solche Struktur detektiert, so wird die Bewegung des Sensorkopfs un­ verzüglich gestoppt oder so geändert, daß keine Kollision mehr auftreten kann. In einem solchen Fall kann auch das Werkzeug ausgeschaltet werden, in diesem Fall ein Laser.

Je nach zu bearbeitendem Werkstück kann ein unterschiedliches Sichtfeld für die Kollisionsüberwachung erforderlich sein, so daß sich in Übereinstimmung damit eine entsprechende Anzahl von Ringelektroden 20 auf Sensorpotential legen läßt. Die Umschaltung des Sensorpotentials von der Sensorelektrode auf eine entsprechende Anzahl von Ringelektroden und umgekehrt, kann zyklisch bzw. periodisch erfolgen, so daß sich während der Bewegung des Sensorkopfs 17 relativ zum Werkstück 19 sowohl eine Abstandsmessung als auch eine Kolli­ sionsüberwachung durchführen lassen. Zu diesem Zweck werden mit Hilfe der Steuereinrichtung die jeweiligen Wechselschalter 4 (nicht dargestellt) über ihre zugehörigen Steuerleitungen 7 entsprechend umgeschaltet.

In der Fig. 5 ist ein zum Sensorkopf 17 nach Fig. 4 ähnlicher Sensorkopf 17a dargestellt, der ebenfalls düsenförmig ausgebildet ist, an seiner äußeren Um­ fangsfläche aber statt der einzelnen Ringelektroden eine durchgehende Man­ telelektrode 21 trägt. Genauer gesagt liegt auf einem Düsenkörper 17b des Sen­ sorkopfs 17a zunächst eine Schirmelektrode 22, die permanent mit aktivem Schirmpotential verbunden ist. Die Schirmelektrode 22 wird von der Mantele­ lektrode 21 abgedeckt, wobei zwischen Schirm- und Mantelelektrode ein elek­ trisch isolierendes Material 23 vorhanden ist. An der Spitze des Düsenkörpers 17b befindet sich wiederum die Sensorelektrode 18, die ihm gegenüber und ge­ genüber der Mantelelektrode 21 elektrisch isoliert ist.

Sowohl die Sensorelektrode 18 als auch die Mantelelektrode 21 sind über nicht dargestellte Leitungen mit jeweiligen Wechselschaltern verbunden, um an sie wahlweise das Sensorpotential oder das aktive Schirmpotential anlegen zu können. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 kann somit ebenfalls wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 eine Umschaltung des Sichtbereichs des Sen­ sorkopfs erfolgen, wobei jedoch der Sichtbereich im Falle der Ansteuerung der Mantelelektrode 21 fest vorgegeben ist, da sie nicht in mehrere Teilelektroden unterteilt ist. Dafür läßt sich die Ausführungsform nach Fig. 5 leichter und ko­ stengünstiger herstellen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer kapazitiven Sensoreinrichtung nach der Erfindung ist in der Fig. 6 gezeigt. Diese kapazitive Sensoreinrichtung weist einen Düsenkörper 25 auf, zu dem ein Spitzenbereich 26 und ein verbleibender Bereich 27 des Düsenkörpers 25 gehören. Der Düsenkörper 25 ist konusförmig ausgebildet, und zwar sowohl außen wie auch innen. Lediglich das freie Ende des Spitzenbereichs 26 weist einen hohlzylinderförmigen Verlauf auf, so daß ein im Inneren des Düsenkörpers 25 vorhandener Düsenkanal 28 sich zur Spit­ ze hin konisch verjüngt und schließlich in einen zylindrischen Kanal übergeht.

Der Spitzenbereich 26 und der verbleibende Bereich 27 des Düsenkörpers 25 sind, wie die Fig. 6 erkennen läßt, passend ineinandergesteckt und gegeneinan­ der isoliert, so daß keine elektrisch leitende Verbindung zwischen ihnen vor­ handen ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der verbleibende Bereich 27 des Düsenkörpers 25 aus Aluminium, das oberflächeneloxiert ist. Diese Eloxal­ schicht bildet die elektrische Isolation zwischen dem verbleibenden Bereich 27 und dem Spitzenbereich 26. Der Spitzenbereich 26 ist aus Messing hergestellt. Beide Teile 26 und 27 sind fest miteinander verklebt, und zwar mittels einer sehr dünnen Schicht eines Keramik-Klebers, was besonders vorteilhaft ist, da dieser sehr temperaturstabil ist und zusätzlich isolierend wirkt.

Der Düsenkörper 25 ist mit seinem oberen Teil in einem hülsenförmigen Ele­ ment 29 gelagert, durchragt eine zentrale Öffnung 30 des hülsenförmigen Ele­ ments 29 und stützt sich mit einem nicht dargestellten äußeren Umfangs­ flansch im Inneren des hülsenförmigen Elements 29 ab. Die Öffnung 30 im hül­ senförmigen Element 29 ist in ihrem oberen Teil ebenfalls konisch ausgebildet, so daß die äußere Umfangsfläche im oberen Bereich des Düsenkörpers 25 auf ihr zu liegen kommt. Dadurch wird eine Zentrierung des Düsenkörpers 25 rela­ tiv zum hülsenförmigen Element 29 erreicht. Ferner weist die zentrale Öffnung 30 in ihrem unteren und der Düsenspitze zugewandten Bereich einen zylindrischen Verlauf auf, wobei sich dort ein Innengewinde 31 befindet.

Um den Düsenkörper 25 im hülsenförmigen Element 29 festzuklemmen, wird in dieses von der der Düsenspitze gegenüberliegenden Seite ein Klemmelement 32 hineingeschraubt, das aus einem Innenkörper 33 und einem Außenkörper 34 besteht. Der Innenkörper 33 besteht z. B. aus Stahl und ist in seinem Inneren derart konisch ausgebildet, daß durch ihn der Düsenkanal 28 zum oberen Ende der Düse hin erweitert wird, wenn das Klemmelement 32 mit dem hülsenförmi­ gen Element 29 verbunden ist. In diesem Zustand drückt der Innenkörper 33 auf den oberen Rand des Düsenkörpers 25 und verhindert somit ein Herausfal­ len des Düsenkörpers 25 aus dem hülsenförmigen Element 29. Der Innenkörper 33 ist dabei mit dem hülsenförmigen Element 29 verschraubt, wozu ein Gewindeabschnitt 35 am äußeren Umfangsrand des Innenkörpers 33 in ein ent­ sprechendes Innengewinde einer axialen Bohrung im oberen Bereich des hül­ senförmigen Elements 29 greift.

Der Außenkörper 34 liegt oberhalb des Gewindeabschnitts 35 und umgibt den Innenkörper 33 vollständig. Innenkörper 33 und Außenkörper 34 können bei­ spielsweise miteinander verklebt sein, wobei der Außenkörper 34 aus elek­ trisch isolierendem Material besteht. Der Außenkörper 34, der beispielsweise aus Kunststoff hergestellt ist, weist eine zylindrische Umfangsfläche auf, die koaxial zur Zentralachse der Düse liegt und ein Außengewinde 36 trägt. Über dieses Außengewinde 36 ist die Düse in eine nicht dargestellte Halterung einer Materialbearbeitungseinrichtung einschraubbar. Dabei ist die Düse gleichzei­ tig gegenüber der Materialbearbeitungseinrichtung elektrisch isoliert, und zwar aufgrund der nichtleitenden Eigenschaften des Außenkörpers 34.

Das hülsenförmige Element 29 weist ferner einen radialen Durchgangskanal 37 mit einem Innengewinde 38 auf, so daß in den radialen Durchgangskanal eine nicht dargestellte Anschlußbuchse hineinschraubbar ist. Die Anschlußbuchse besitzt zentrale und isolierte Innenleiter sowie einen mit einem Außengewinde versehenen Außenleiter, wobei dieses Außengewinde in das Innengewinde 38 greift und in elektrischem Kontakt mit dem hülsenförmigen Element 29 steht. Die Anschlußbuchse dient zum Anschluß eines geschirmten Kabels.

Eine Düsenelektrode, die z. B. aus Kupfer besteht, trägt das Bezugszeichen 39. Die Düsenelektrode ist außen zylindrisch ausgebildet und weist einen äußeren Umfangsflansch 40 auf. Sie ist passend in den zylindrischen Teil des Spitzenbereichs 26 eingesetzt und liegt mit ihrem äußeren Umfangsflansch 40 auf der Stirnseite des Spitzenbereichs 26 auf. Dabei setzt ein im Inneren der Düsen­ elektrode 39 verlaufender und konischer Kanal den Düsenkanal 28 bis zur Spit­ ze der Düsenelektrode 39 hin fort. Der Düsenkanal 28 verjüngt sich also gleich­ mäßig, ausgehend vom oberen Rand des Klemmelements 32 bis zum spitzenseitigen Ende der Düsenelektrode 39 und geht erst im letzten Teil an der Stirnseite der Düsenelektrode 39 in einen axialen Kanal 39a über.

Die Düsenelektrode 39 steht unmittelbar in elektrischem Kontakt mit dem Spit­ zenbereich 26, so daß beide Teile auf demselben Potential liegen.

Zur Befestigung der Düsenelektrode 39 am Spitzenbereich 26 dient ein Über­ wurfelement 41, das in diesem Fall als Überwurfmutter ausgebildet ist. Das Überwurfelement 41 besteht ebenfalls aus elektrisch leitendem Material, ist je­ doch gegenüber der Düsenelektrode 39 elektrisch isoliert. Hierzu trägt das Überwurfelement eine Isolierschicht, beispielsweise eine Oberflächen-Oxid­ schicht. Das Überwurfelement kann aus Aluminium hergestellt werden, so daß die genannte Oxid- bzw. Isolierschicht eine Eloxalschicht wäre.

Ein Rand 42 des Überwurfelements 41 greift hinter den äußeren Umfangs­ flansch 40 der Düsenelektrode 39 und zieht somit die Düsenelektrode 39 gegen die Stirnseite des Spitzenbereichs 26, wenn das Überwurfelement 31 mit einem zum hülsenförmigen Element 29 gerichteten Außengewinde in das Innengewinde 31 der zentralen Öffnung 30 eingeschraubt wird. Dabei kommt das Über­ wurfelement 41 im Abstand zum Düsenkörper 25 zu liegen und umgibt dieses vollständig.

Wie bereits erwähnt, trägt das Überwurfelement 31 eine Oberflächen-Isolier­ schicht, so daß es auch gegenüber dem hülsenförmigen Element 29 elektrisch isoliert ist, das permanent auf aktivem Schirmpotential liegt. Das Überwurfele­ ment 41 ist andererseits über eine nicht dargestellte und abgeschirmte Leitung mit einem Wechselschalter 4 verbunden, über den es wahlweise aktives Schirmpotential oder Sensorpotential empfangen kann. Die Leitungsverbin­ dung erfolgt über die genannte Steckerbuchse.

Demgegenüber sind der Spitzenbereich 26 und die Düsenelektrode 39 elek­ trisch leitend miteinander verbunden. Dabei ist jedoch der Spitzenbereich 26 gegenüber dem verbleibenden Bereich 27 durch die zwischen ihnen liegende Isolierschicht elektrisch isoliert, während die Düsenelektrode 39 gegenüber dem Überwurfelement 41 durch die genannte Oberflächenbeschichtung des Überwurfelements 41 im Verbindungsbereich beider Teile elektrisch isoliert ist.

Um Sensorpotential oder aktives Schirmpotential an die Düsenelektrode 39 über den Spitzenbereich 26 legen zu können, ist der Spitzenbereich 26 mit einer geschirmten Ader verbunden, die durch einen Bereich 43 zwischen Düsenkör­ per 25 und Überwurfelement 41 bzw. Hülsenelement 39 hindurchläuft und an der Steckerbuchse angeschlossen ist. Auch diese Ader führt zu einem Wechsel­ schalter 4. Somit lassen sich wahlweise, wie auch bei den obigen Ausführungs­ beispielen, Sensorpotential bzw. aktives Schirmpotential an die Düsenelektro­ de 39 bzw. das Überwurfelement 41 anlegen, und zwar ganz nach den entspre­ chenden Betriebsbedingungen.

Entsprechend den Fig. 7a bis 7c kann die Düsenelektrode 39 in mehrere Sekto­ ren 43 unterteilt sein, wobei es im vorliegenden Fall acht Sektoren sind. Im Zen­ trum liegt wieder der Düsenkanal 39a. Die Sektoren 43 sind gegeneinander elektrisch isoliert, und zwar durch geeignete Oberflächenbeschichtungen. Auch diese Oberflächenbeschichtungen können wiederum durch Oxidschichten gebildet sein. Die Sektoren 43 werden dann zur Bildung der Düsenelektrode 39 miteinander verklebt. Jeweils ein Sektor 43 ist über eine eigene abgeschirmte Leitung, die ebenfalls im Bereich 43 verläuft, mit einem Wechselschalter 4 verbunden, und zwar über die bereits genannte Steckerbuchse im Bereich 37. Es ist somit möglich, die einzelnen Sektoren 43 wahlweise mit Sensorpotential oder aktivem Schirmpotential zu versorgen. In diesem Fall sind die Sektoren 43 auch gegenüber dem Spitzenbereich 26 elektrisch isoliert.

Um eine Richtungsempfindlichkeit der Düsenelektrode 39 zu erhalten, können die Sektoren 43 gruppenweise auf Sensorpotential und aktives Schirmpotential gelegt werden, wobei in Umfangsrichtung der Düsenelektrode 39 nacheinander verschiedene Gruppen zusammengeschaltet werden, wie die Fig. 7 erkennen läßt. Die gestrichelt dargestellten Sektoren liegen in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten gemäß den Fig. 7a bis 7c jeweils auf Sensorpotential, während die restlichen Sektoren aktives Schirmpotential empfangen. Die Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite der Düsenelektrode 39, so daß die Sektoren 43 in Axialrichtung verlaufen.

Eine Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 6 ist in Fig. 8 gezeigt. Gleiche Elemente sind dort mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 6 versehen. Ge­ mäß Fig. 8 weist die Düsenelektrode 39 an ihrem einen axialen Ende ein Außengewinde 44 auf, mit dem es in ein stirnseitiges Innengewinde 45 des Überwurf­ elements 41 eingeschraubt ist. Dabei wird die Düsenelektrode 39 so weit in das Innengewinde 45 eingeschraubt, daß sie gegen die Spitze des Spitzenbereichs 26 schlägt. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 6 erwähnt, sind einerseits die Düsenelektrode 39 und das Überwurfelement 41 sowie andererseits das Überwurfelement 41 und das hülsenförmige Element 29 elektrisch gegeneinan­ der isoliert, so daß wiederum wahlweise Düsenelektrode 39 und Überwurfele­ ment 41 mit Sensorpotential bzw. aktivem Schirmpotential versorgt werden können. Da die Düsenelektrode 39 mit dem Spitzenbereich 26 elektrisch in Kontakt steht, kann das entsprechende Potential auch an diesen Spitzenbe­ reich angelegt werden. Die Leitungsverbindung zu den jeweiligen Wechsel­ schaltern 4 erfolgt wie im Falle der Fig. 6.

Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 6 beschrieben, kann einerseits die Dü­ senelektrode 39 in Sektoren unterteilt sein, um Messungen in bestimmten Richtungen vornehmen zu können. Aber auch das Überwurfelement 41 in den Fig. 6 und 8 kann in Sektoren unterteilt sein, z. B. in zwei Hälften. Die Untertei­ lung erfolgt dabei in axialer Richtung, wie zuvor bei der Düsenelektrode 39. Die beiden Hälften des Überwurfelements 41 können an ihrer Oberfläche vollstän­ dig eloxiert und dann miteinander verklebt sein. Die beiden Hälften des Über­ wurfelements lassen sich z. B. für eine Links-Rechts-Seitenregelung verwen­ den, z. B. für die Mittensteuerung bei einer Kehlnaht, wobei die Hälften abwech­ selnd Sensorpotential und aktives Schirmpotential empfangen. Wird an beide Hälften gleichzeitig Sensorpotential angelegt, so können sie auch zur Höhenre­ gelung herangezogen werden. Natürlich läßt sich die Überwurfmutter auch in mehr als zwei Sektoren unterteilen, beispielsweise in vier oder mehr, um sie zur Lochfindung oder zur Positionierung des Sensorkopfs symmetrisch zu einem Punkt verwenden zu können.

Es sei nochmals darauf hingewiesen, daß zur Auswertung sämtlicher Meßspan­ nungen, die von den jeweiligen Elektroden erhalten werden, nur eine einzige Auswerteelektronik erforderlich ist, da die Meßspannungen mit Hilfe der Um­ schalteinrichtung nacheinander der Auswerteelektronik zugeführt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung ist in Fig. 9 dargestellt. Gleiche Elemente wie in Fig. 6 sind wiederum mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben. In Abweichung von Fig. 6 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 die Düsenelek­ trode 39 mit einem stirnseitigen Außengewinde 46 in ein axiales Innengewinde 47 des Spitzenbereichs 26 hineingeschraubt. Hierbei stehen Düsenelektrode 39 und Spitzenbereich 26 elektrisch in Kontakt miteinander, während der Spit­ zenbereich 26 gegenüber dem verbleibenden Bereich 27 elektrisch isoliert ist, und zwar durch die Verbindungsschicht zwischen beiden Teilen. Der verblei­ bende Bereich 27 kann z. B. permanent auf aktivem Schirmpotential liegen. Entsprechendes gilt für eine konusförmige Hülse 48, die im Abstand zu den Teilen 26 und 27 angeordnet ist. Sie kann ebenfalls permanent auf aktivem Schirmpotential liegen. In die Spitze der konusförmigen Hülse 48 ist eine Ring­ elektrode 49 eingesetzt, beispielsweise über ein koaxiales Gewinde einge­ schraubt. Die Ringelektrode 49 ist gegenüber der Hülse elektrisch isoliert und trägt beispielsweise auf ihrer gesamten Oberfläche, auch im Bereich des even­ tuell vorhandenen Gewindes, eine elektrisch isolierende Schicht, z. B. eine Elo­ xalschicht. Dabei umgreift die Ringelektrode 49 das obere Ende der Düsenelek­ trode 39, schirmt also den schlanken Hals der Düsenelektrode 39 nach außen ab. Das aktive Schirmpotential wird über eine Leitung L1 direkt zur Hülse 48 geführt, während die Ringelektrode 49 und der Spitzenbereich 26 jeweils über Leitungen L2 und L3 mit je einem Wechselschalter 4 verbunden sind, um an diese Elemente 49, 26 wahlweise aktives Schirmpotential oder Sensorpotential anlegen zu können. Auch die Düsenelektrode 39 kann bis auf ihr Außengewinde 46 mit einer Eloxalschicht versehen sein, so daß sich mit Sicherheit Kurz­ schlüsse im Bereich zwischen Düsenelektrode 39 und Ringelektrode 49 verhin­ dern lassen.

Claims (20)

1. Kapazitive Sensoreinrichtung mit einem Sensorkopf, der eine Elektrode trägt, an die ein Sensorpotential anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Sensorkopf (1, 10, 13, 17, . . .) wenigstens eine benachbart zur Elektrode (2, 12, 14, 18, 39) liegende weitere Elektrode (2, 12, 14, 21, 41, 49) trägt und
• - eine Umschalteinrichtung (4 bis 8) vorhanden ist, um wahlweise das Sensor­ potential oder ein Schirmpotential an die einzelnen Elektroden anlegen zu können.

2. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Schirmpotential ein aktives Schirmpotential ist.

3. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensorkopf (1, 13) mehrere entlang einer Linie angeord­ nete Elektroden (2, 14) trägt.

4. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensorkopf (10, 13, 17) mehrere Elektroden (12, 14, 20) entlang von parallel zueinander verlaufenden Linien trägt.

5. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Linien Geraden sind.

6. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Linien Kreislinien sind.

7. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektroden (2, 12) auf einer ebenen Oberfläche des Sensorkopfs (1, 10) angeordnet sind.

8. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (14, 20) auf der gekrümmten Umfangsfläche eines kugel-, halbkugel-, kegel- oder zylinderförmigen Sensorkopfs (. . ., 13, 17, . . .) und koaxial zu diesem angeordnet sind.

9. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Elektroden in einen auf Schirm­ potential liegenden Sensorkopfteil eingebettet und ihm gegenüber elektrisch isoliert sind.

10. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine der Elektroden (18, 39) als eine an der Spitze eines dü­ senförmigen Sensorkopfs liegende Sensorelektrode und eine andere der Elek­ troden als Ringelektrode (20, 41, 49) ausgebildet ist, die oberhalb der Sensore­ lektrode liegt.

11. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sensorelektrode (39) über die Ringelektrode (41) am Sensor­ kopf befestigt und zwischen beiden Elektroden eine Isolationsschicht vorhan­ den ist.

12. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sensorelektrode (39) in mehrere in Umfangsrichtung liegende Sensorelektrodensegmente (43) unterteilt ist, welche gegeneinander elektrisch isoliert sind.

13. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektrode (41, 49) in mehrere in Umfangsrich­ tung liegende Ringelektrodensegmente unterteilt ist, welche gegeneinander elektrisch isoliert sind.

14. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ringelektrode (41) als Überwurfmutter ausge­ bildet ist.

15. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ringelektrode (41, 49) an einem auf Schirmpotential liegenden Teil (29, 48) des Sensorkopfs befestigt und gegenüber dem ge­ nannten Teil (29, 48) elektrisch isoliert ist.

16. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sensorelektrode (39), die Sensorelektroden­ segmente (43), die Ringelektrode (41, 49) und die Ringelektrodensegmente eine elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung tragen.

17. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Oberflächenbeschichtung eine Oxidschicht ist.

18. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung mit den jeweiligen Elek­ troden bzw. Elektrodensegmenten verbundene Wechselschalter (4) aufweist.

19. Kapazitive Sensoreinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wechselschalter (4) CMOS-Schalter sind.

20. Kapazitive Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß sie einen Verstärker mit dem Verstärkungsgrad V = 1 aufweist, der an seinem Eingang das Sensorpotential empfängt und an seinem Ausgang das aktive Schirmpotential liefert.