DE4447293A1

DE4447293A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer jeweiligen örtlichen Position eines Körpers durch kapazitive Abtastung

Info

Publication number: DE4447293A1
Application number: DE4447293A
Authority: DE
Inventors: Franz Gleixner
Original assignee: Horst Siedle KG
Current assignee: Horst Siedle KG
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1994-12-30
Publication date: 1996-05-15

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbe griff des Anspruchs 2 und bezieht sich allgemein auf Auswerteschaltungen in Verbindung mit eine kapazitive Abtastung bei Weg-, Winkel- oder Positions-Gebern ermöglichenden peripheren Schaltungen, so daß sich Positionen von bewegbaren Körpern berührungsfrei erfassen lassen.

Hierfür werden in den meisten Fällen Spannungsteiler schaltungen in Analogtechnik eingesetzt, die entweder nach dem bekannten Potentiometerprinzip als Weggeber, Stellwiderstände oder Potentiometer ausgebildet sind oder auch in Form von Induktivitäten, beispielsweise als Differentialspulen, Differentialtransformatoren, Indukti vität mit Kurzschlußwicklungen in Form eines Rohres, eingesetzt werden.

Bei einem analogen Widerstandspotentiometer dient ein aufgespritzter oder auch aufgedampfter Niederschlag auf einem Substrat als Widerstandsbahn, auf welcher ein Schleifer in Kontaktberührung gleitet, so daß dieser in die Lage versetzt wird, je nach seiner Position unter schiedliche Gleichspannungspotentiale der Widerstandsbahn abzugreifen und üblicherweise über einen direkt mit ihm verbundenen Kollektorschleifer auf eine Kollektorbahn zu übertragen, an welcher das abgegriffene Potential zur Auswertung verfügbar ist. Solche Potentiometer, die in bestimmten Ausführungsformen mit sehr hoher Präzision als Weg- oder Meßwertgeber eingesetzt werden können, können unter bestimmten Bedingungen aufgrund der ständigen Kontaktgabe, die letztlich auch zu Abnutzungen bei schnellen Schleiferbewegungen führt, Probleme aufweisen, die eine berührungslose Erfassung entsprechender Meßwerte erstrebenswert machen (z. B. DE-OS 25 27 620).

Wird anstelle von berührungslos arbeitenden, jedoch eine gewisse Meßungenauigkeit und unter Umständen auch Nichtlinearitäten aufweisenden induktiven Meßsystemen ein kapazitiver Positionssensor oder Wegaufnehmer eingesetzt, wie er beispielsweise aus der DE 28 26 398 C2 bekannt ist, dann muß mit unter Umständen durchaus erheblichen Verfälschungen des gewonnenen Meßwert es durch den Einfluß von Streukapazitäten und Ableitwiderständen gerechnet werden, die zumeist nicht hinnehmbar sind.

Der kapazitive Wegaufnehmer der DE 28 26 398 C2 besteht aus einem Paar schräg unterteilter, gegeneinander isolierter Kondensatorplatten, an denen eine Wechsel spannung anliegt und wobei eine als Abgriff dienende, zwischen diesen Kondensatorplatten um den abzugreifenden Weg verstellbare zwischenplatte über ein Verbindungskabel mit dem Eingang einer Auswerteschaltung verbunden ist. Durch die Bewegungen des Abgriffs ergeben sich auf das Verbindungskabel und dessen Anschlußpunkte ständig sich verändernde Kräfte, die nicht nur eine beschleunigte Alterung des Wegaufnehmers bewirken, sondern gerade durch die Lage- und Wegänderungen des Kabels gleichzeitig zu Kapazitätsänderungen und sich ändernden Streukapazitäten sowie veränderlichen Ableitwiderständen führen, die eine nicht definierbare und vor allen Dingen auf diese Weise auch nicht zu kompensierende Störgröße bedeuten.

Die Auswerteschaltung umfaßt bei diesem bekannten Weggeber einen Operationsverstärker, dessen einer Eingang über das Verbindungskabel mit der verschiebbaren Zwi schenplatte, die als Abgriff dient, verbunden ist und dessen anderer Eingang über einen an Masse geschalteten Widerstand mit dem rückgeführten Meßwertsignal beauf schlagt ist. Der Ausgangsanschluß des Operationsver stärkers liegt über einen Gleichrichter an weiteren Verstärkungselementen, von denen einer als Emitterfolger geschaltet ist. Da bei einer solchen Auswerteschaltung die auftretenden Streukapazitäten in der Größenordnung der Meßkapazität liegen und der Eingangswiderstand des Verstärkers bei üblichen Frequenzen im Bereich der Impedanz des Sensors, ist eine genaue und streng lineare Ausgangsspannung nicht zu erwarten.

Bei weiteren kapazitiven Wegmeßgebern, die auf Aus werteschaltungen gar nicht oder nur in Form eines einfachen nachgeschalteten Verstärkers eingehen (DE 34 41 217), liegt eine dicht gedrängte, einen mäander- oder zickzackförmigen Verlauf aufweisende Widerstandsleiterbahn auf einer Substratfläche auf, wobei sich in einem Abstand zu dieser Widerstandsleiterbahn ein verschiebliches Abgriffselement befindet, welches flächenartig als Kreisring ausgebildet ist und auf diese Weise das jeweilige Potential kapazitiv auskoppelt und über eine Verbindungsleitung einem aus einem Voltmeter bestehenden Meßkreis zuführt. Allerdings liegt die Leiterbahn an einer Versorgungsgleichspannung, so daß eine kapazitive Meßwerterfassung nur im Verlaufeiner mit einer entsprechend hohen Geschwindigkeit erfolgenden Verschiebung möglich ist und eine stationäre Positions bestimmung infolge eines dann fehlenden Meßwertes nicht erfolgen kann. Auch hier ergeben sich in gleicher Weise auf Streukapazitäten und Ableitwiderständen zurückzufüh rende Störgrößen, die nicht beseitigt werden können.

Bekannt ist es schließlich bei einem Galvanometer, den Zeiger des Galvanometers als bewegliches Element mit einem Wechselspannungsanschluß zu verbinden, wobei sich der Zeiger flächig im Abstand über ein Widerstandselement bewegt, so daß an diesem durch kapazitive Einkopplung ein Spannungsabfall entsteht, der als Angabe der Zeigerposi tion ausgewertet werden kann (US-PS 3 636 449).

Daher ist der relativ seltene Einsatz kapazitiver Sensoren auf den Umstand zurückzuführen, daß eine Vielzahl unerwünschter Nebeneffekte wie Streukapazitäten, Ableitwiderstände, Luftfeuchtigkeit u. dgl. zu Verfäl schungen führt, die eine genaue Messung nicht nur erschweren, sondern unter Umständen sogar unmöglich machen. Ferner können kapazitive, und im übrigen auch induktive Meßverfahren nur mit Wechselspannung betrieben werden. Diese Betriebsweise kann zu erheblichen Schwie rigkeiten führen, weil die Erzeugung von Wechselspannun gen und eine exakte Verstärkung im Vergleich zu einer Schaltung mit Gleichspannung wesentlich aufwendiger ist und eine zusätzliche Fehlerquelle (Temperaturgang) darstellt. Auch weisen kapazitive Meßsysteme Kapazitäten im Bereich von nur wenigen pF auf, so daß Streukapazitä ten, die durchaus im gleichen Bereich liegen können, auf den erzielten Meßwert und seine Genauigkeit unverhältnis mäßig viel Einfluß haben. Schließlich sind kapazitive Sensoren bei üblichen Frequenzen, bei denen Störstrahlun gen noch unkritisch sind, verhältnismäßig hochohmig, was auch an den Verstärker erhebliche Anforderungen stellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen berührungslosen, auf kapazitiver Grundlage arbeitenden Positionssensor und dessen Auswerteschaltung so auszubil den, daß sich eine besonders geringe Störempfindlichkeit bei hoher Meßgenauigkeit trotz Verwendung unkritischer und preisgünstiger Bauteile ergibt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. Anspruchs 2 und hat den Vorteil, daß der Einfluß von Streukapazitäten und Ableitwiderständen bei dem durch die Erfindung ermöglichten Meßverfahren entweder gar nicht auftritt oder jedenfalls auf einem die gewünschte Meßgenauigkeit nicht beeinflussenden Niveau gehalten werden bzw. ausgeglichen werden kann.

Dennoch benötigt die Erfindung hierzu keine aufwendige Schirmung, da es ihr gelingt, den Einfluß von Streukapa zitäten und sonstiger Störgrößen dadurch auszugleichen, daß die kapazitiv z. B. an einer normalen Widerstands potentiometerbahn erfaßte Wechselspannung durch einen Regelvorgang - bis auf die äußerst geringe Regelabwei chung - zu Null gemacht wird, wodurch das eigentliche Meßsystem unabhängig von Streukapazitäten und Wider standsbelastungen wird. Dies ist auf jeden Fall dann zutreffend, wenn man von einer sehr großen Verstärkung des verwendeten Reglers ausgeht, was im Prinzip durch einen Integralregler realisiert werden kann.

Entscheidend für eine genaue Messung ist dabei die Erzeugung der an dem Meßverfahren beteiligten Versor gungsspannungen für das Meßsystem auf kapazitiver Grundlage, wobei im Prinzip mit zwei Wechselspannungs- Speisespannungen gearbeitet wird, deren Mitte nach Maßgabe der Position des kapazitiven Sensors verschoben wird. Durch diese Mittenverschiebung ergibt sich am Abgriff die kapazitive Sondenspannung zu null Volt, so daß hier auch keine Verschiebungsströme fließen und das Problem von Spannungsabfällen über dem "Koppelkondensa tor" auf diese Weise gelöst ist.

Dabei kann das Meßsystem auch als Brücke aufgefaßt werden, wobei der eine Brückenzweig aus einem Kondensator mit einem in der Mitte beweglichen Abgriff (Elektrode in Form einer Potentialmeßsonde) gebildet ist, an der die Brückenausgangsspannung abgegriffen wird. Das bedeutet, daß dieser Brückenzweig aus zwei Kondensatoren mit veränderlichen Kapazitäten besteht, je nach Abgriff position, während der andere Brückenzweig von zwei Referenzspannungen gebildet ist, die zusammen mit der Meßspannung am Ausgang des Reglers die in ihrer Mitten position veränderlichen Brückenspeisespannungen bilden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ver wendung von positiven und negativen Gleichstrom-Referenz spannungen für die Speisung der Widerstands-Potentiome terbahn, wobei zwischen diesen Referenzspannungen, die mit jeweils einem Ende der Widerstandsbahn verbunden sind, und der vom Integralregler gelieferten Meßspannung in einem vorgegebenen Takt umgeschaltet wird, der gleichzeitig auch zwischen einem dem Abgriff nachgeschal teten Wechselspannungsverstärker und dem PI-Regler für eine phasengetreue Gleichrichtung bzw. Invertierung der kapazitiv erfaßten Sondenspannung sorgt. Bei einer solchen Schaltung ist ferner vorteilhaft, daß sie keine Wechselspannungs-Versorgungsquellen benötigt, sondern mit Gleichstrom arbeiten kann, wobei lediglich von einem Taktgenerator gesteuerte Umschaltmittel, durch welche auch die grundsätzlich erforderlichen Wechselspannungs eigenschaften des Meßsystems realisiert werden, benötigt werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Grundkonzeption eines kapazitiven Sensors in der anschaulichen Darstellung einer Brüc kenschaltung;

Fig. 2 das bevorzugte Ausführungsbeispiel in Form eines Blockschaltbildes und

Fig. 3 das Spannungs-/Zeitdiagramm zur Schaltung der Fig. 2, aus welchem auch die Wirkungsweise der Schaltung erkennbar ist, während die

Fig. 4 stark schematisiert den mechanisch-konstrukti ven Aufbau eines bevorzugten kapazitiven Weggebers mit Meß- und Koppelkondensatoranord nung zeigt; die

Fig. 5 und 6 zeigen Potentialverteilung und die kapa zitive Beziehung der Meßsonde zur Wider standsbahn, ebenfalls schematisiert.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, bei einem auf kapazitiver Grundlage arbeitenden Weggeber- Sensor den Abgriffbereich auf eine Spannung von praktisch null Volt auszuregeln, indem durch Einsatz eines ge eigneten Reglers mit I-Verhalten auf die Versorgungs spannungen des Spannungsteilers im Sinne einer Mittenver schiebung eingewirkt wird.

Bevor im folgenden auf die Möglichkeiten der Auswerte schaltung eines kapazitiven Sensors genauer eingegangen wird, ist es, insbesondere auch zum besseren Verständnis der Erfindung, erforderlich, einen solchen auf kapaziti ver Grundlage arbeitenden Positionssensor mit Bezug auf seinen mechanisch-elektrischen Aufbau genauer zu er klären, wobei gerade ein solcher Aufbau, wie er in Fig. 4 beispielhaft schematisiert angegeben ist, die ange strebte Störgrößenfreiheit des Sensors nicht unwesentlich fördert und insofern auch der Auswerteschaltung zu besonderer Wirksamkeit verhilft.

Der in Fig. 4 gezeigte Positionssensor 10 auf kapazitiver Grundlage umfaßt einen Potentialmeßbereich 11 und einen Potentialkoppelbereich 12, wobei bei diesem Ausführungs beispiel der Potentialmeßbereich ein echtes Spannungs teilerelement 13 mit stetigem Spannungsverlauf ist, beispielsweise und bevorzugt also eine Widerstandsbahn, wie sie üblicherweise bei Meßwertgebern auf potentiome trischer Grundlage (in diesem Falle gleichstromgespeist) oder bei Drehpotentiometern üblich ist.

Den beiden Endanschlüssen 13a, 13b der Widerstandsbahn des Spannungsteilers wird dabei von einer erst bei den folgenden Ausführungsbeispielen im einzelnen erläuterten Speise- und Auswerteschaltung 14 eine Speisewechsel spannung konstanter, gegebenenfalls aber auch steuerbarer Amplitude zugeführt, wobei bei dem dargestellten Aus führungsbeispiel einer der Anschlüsse, beispielsweise 13b mit Masse verbunden ist, so daß sich anschaulich erkennen läßt, daß sich über der Widerstandsbahn des Spannungs teilers eine vom Anschlußpunkt 13a zum Anschlußpunkt 13b in ihrer Amplitude abfallende Wechselspannungsverteilung ergibt.

Der Widerstandsbahn des Spannungsteilers 13 ist berüh rungslos, also im vorgegebenen Abstand eine Potentialmeß sonde 15 zugeordnet, die auf diese Weise mit der Wider standsbahn in einer kapazitiven Wirkverbindung steht und daher auch in der Lage ist, das sich über dem Weg s (in Meßrichtung) ändernde Wechselspannungspotential über der Widerstandsbahn abzugreifen, wobei die in diesem Fall rechteckplattenförmige Potentialmeßsonde 15 integrierend bzw. mittelwertbildend wirkt und immer eine solche Wechselspannungsamplitude abgreift, wie sich diese als Mittelwert aus der Position der Potentialmeßsonde ergibt.

Potentialmeßbereich 11 und Potentialkoppelbereich 12 sind elektrisch voneinander in geeigneter Weise isoliert, wobei der Potentialkoppelbereich 12 ebenfalls über einen beweglichen Sondenteil, nämlich eine Potentialkoppelsonde 17 verfügt, die sich in einem vorgegebenen Abstand, also auch hier berührungsfrei über der durchweg elektrisch leitenden Elektrodenfläche 16 des Potentialkoppelbereichs 12 synchron zur Potentialmeßsonde verschiebt. Dabei sind die jeweiligen, in diesem Fall rechteckförmigen Flächen von Potentialmeßsonde und Potentialkoppelsonde mindestens elektrisch, bevorzugt aber auch von ihrem mechanischen Aufbau her miteinander verbunden, bilden also ein gemeinsames Bauelement, beispielsweise eine Doppelkupfer plattenanordnung, die von einer geeigneten, nicht dargestellten Lagerung gemeinsam über den zugeordneten Flächen von Widerstandsbahn bzw. Koppel-Elektrodenfläche in Meßrichtung verschoben wird.

Die jeweiligen Flächen von Potentialmeßsonde 15 und Potentialkoppelsonde 17 bilden mit den jeweiligen Gegenflächen der Widerstandsbahn bzw. der Elektroden fläche 16 einen Kondensator, die in den nachfolgenden Auswerteschaltungen als Meßkondensator C_M bzw. als Koppelkondensator C_K bezeichnet sind und deren Kapazität über dem Verschiebeweg unverändert bleibt, so daß Kapazitätsänderungen die Meßwertbildung nicht beein flussen.

Auf diese Weise überträgt die Potentialkoppelsonde 17 das von der Potentialmeßsonde 15 abgegriffene Wechselspan nungs-Amplitudenmeßsignal kapazitiv getreu auf die Elektrodenfläche 16 des Potentialkoppelbereichs 12, wobei lediglich noch ein einziger, sich in seiner Position nicht verändernder Anschluß 16a vorgesehen ist, an welchem das erfaßte Spannungsamplitudensignal auf den Eingang 18 der Speise-/Auswerteschaltung 14 gelangt.

Der physikalisch-theoretische Zusammenhang ist daher so, daß sich auf der "Potentiometer"-Widerstandsbahn ent sprechend der Darstellung der Fig. 5 bei Wechselstrom- Speisung eine Potentialverteilung nach folgender Formel einstellt:

oder als elektrische Feldverteilung ausgedrückt

Dabei ist jeweils, wie auch Fig. 5 zeigt,

ϕ1 < ϕ2 < ϕ3 < ϕ4 . . .

Da es sich um eine Wechselspannung handelt, kann das Potential folgendermaßen dargestellt werden:

ϕ = ϕo · sign[sin(ω · t)]

mit
ϕo = Amplitude des Potentials
ω = Kreisfrequenz 2πν
ν = Frequenz
t = Zeit

Das gesamte System läßt sich als Kondensator auffassen, welches aus lauter kleinen Kondensatoren zusammengesetzt ist, wie die Darstellung der Fig. 6 im einzelnen angibt.

Die Kondensatorgleichung lautet:

C = εr · εo · A/α

mit
C: Kapazität
εr: relative Dielektrizitätskonstante
A: Fläche des Kondensators
d: Abstand (der Platten)

Die Kapazität ergibt sich aus

Für die Kapazitäten soll gelten:

Das abgegriffene Potential hängt in linearer Beziehung vom Ort x ab. → ϕ = ϕ(x). Über die Teilkapazitäten ΔCi fließen Verschiebungsströme I_i in die Sonde, dabei gilt:

Für den gesamten Verschiebestrom I gilt dann:

d. h. die einzelnen Spannungsamplituden werden aufaddiert zu einem gesamten Verschiebungsstrom I.

Daher gehen selbst kleinste Verschiebungen der Platte der Potentialmeßsonde in die abgegriffene Wechselspannungs amplitude ein, da sich das Verhältnis der Teilspannungen bei einer Verschiebung um δs natürlich ändert. Die Aufnahme des Meßsignals erfolgt berührungsfrei, des gleichen seine Übertragung auf die stationäre Elektroden fläche 16, so daß ein solcher Positionssensor keinem mechanischen Verschleiß ausgesetzt ist und schon an dieser Stelle keine variablen Störgrößen wie beispiels weise variable Streukapazitäten auftreten, die beispiels weise schon durch Biegung von Verbindungsleitungen entstehen können.

Zur Speisung der in Fig. 1 gezeigten brückenartigen Meßschaltung 10 werden zwei Spannungsquellen 21 und 21′ mit den Spannungen U1 und U2 verwendet, die dadurch gebildet werden, daß eine Referenzspannung Uref einer Umschalteinrichtung 22 in Form geeignet aufgebauter elektronischer Schalter zugeführt wird, und zwar zusammen mit einer Meßspannung Umeß, auf deren Bildung weiter unten noch eingegangen wird. Der elektronische Schalter bereich 22, der von einem Taktgenerator 23 gesteuert wird, ist so ausgebildet, daß zwei rechteckförmige Wechselspannungen mit der Amplitude

U1 = Uref - Umeß
U2 = Umeß

entstehen. Bei der Referenzspannung Uref und der rückgeführten Spannung Umeß handelt es sich um Gleichspannungen.

Die elektronischen Schalter 12 können CMOS-Schalter sein, wobei abwechselnd, also in zeitlicher Abfolge auf die Ausgänge einmal die Meßspannung Umeß und zum anderen die Referenzspannung bzw. die Referenz-Bezugsspannung gelegt werden. Da die hier verwendeten Halbleiterschalter gegebenenfalls einen nicht zu vernachlässigenden Innenwi derstand aufweisen, sind diesen Anpaßverstärker in Form von Impedanzwandlern (Spannungsfolger) sowie zur Unter drückung von Oberwellen, die eventuell Funkstörungen verursachen können, noch Tiefpaßschaltungen jeweils nachgeschaltet, die insgesamt mit 24, 24′ bezeichnet sind. Beide Schaltungsfolger sind gleichartig aufgebaut - die Ausgänge sind mit den Speiseanschlüssen der Brücke 20 verbunden.

Der andere Brückenzweig ist von dem kapazitiven Ab tastsystem gebildet, welches weiter vorn in einer bevorzugten Ausführungsform (Fig. 4) schon beschrieben worden ist, und kann als ein Kondensator mit einer in der Mitte beweglichen Elektrode betrachtet werden, an der die Brückenausgangsspannung abgegriffen wird. Insofern besteht dieser Brückenzweig aus zwei in Reihe geschalte ten Kondensatoren mit den veränderlichen Kapazitäten C1 und C2, die sich je nach der Position des Abgriffs ändern.

Die kapazitiv abgetastete Brückenausgangsspannung wird durch einen Wechselspannungsverstärker 25 verstärkt. Hierdurch ergibt sich eine Anpassung des Signals an eine nachfolgende Gleichrichterschaltung 26, die als phasen richtiger Gleichrichter auf die Umschaltvorgänge der elektronischen Schalter 22 synchronisiert ist und vom gleichen Taktgenerator 23 angesteuert wird.

Unmittelbar hinter dem Wechselspannungsverstärker 25 kann das Signal auch noch mittels eines nicht dargestellten Bandpasses gefiltert werden, so daß möglichst nur die Grundwelle der Meßspannung am Verstärkerausgang anliegt und somit Störspannungen und Oberwellen keinen Einfluß bekommen.

Durch die phasenrichtige Gleichrichtung wird die ver stärkte und gefilterte Ausgangsspannung in eine Gleich spannung umgewandelt, deren Polarität von der Phase der Eingangs-Wechselspannung mit Bezug auf die Steuerwechselspannung abhängig ist und die ein Maß für die Abweichung der Meßspannung vom Sollwert darstellt.

Ein einem Summierpunkt 27, auf den die Ausgangsspannung des phasenrichtigen Gleichrichters 26 gelangt, nach geschalteter Regler 28 mit Integralverhalten hat die Aufgabe, durch Verändern der Meßspannung Umeß seine Eingangsspannung praktisch zu Null zu machen, was bedeutet, daß der Regler 28 das Eingangssignal verstärkt und als Reglerausgangssignal die Meßspannung Umeß erzeugt, wobei der Regler so ausgebildet ist, daß er seine Ausgangsspannung so lange nachstellt, bis die Eingangsspannung Null ist. Hierfür ist besonders ein Regler mit integralverhalten geeignet, wobei die An sprechgeschwindigkeit durch einen zusätzlichen Proportio nal- und Differential-Anteil optimiert werden kann.

Die Reglerausgangsspannung gelangt dann als Umeß zu den beiden Eingängen des elektronischen Schalters 22 zur Erzeugung der Brückenspeisespannungen, wodurch der Regel kreis geschlossen ist.

Dabei ist es noch möglich, die Spannung Umeß durch einen Anpaßverstärker herauszuführen, der zwar grundsätzlich nicht nötig ist, jedoch der Verringerung von Störungen dient (nicht dargestellt). Daneben kann ein solcher Anpaßverstärker auch noch der Anpassung der Sensorkenn linie (Nullpunkt, Steigung) dienen.

Da die beiden Kondensatoren C1 und C2 die Beziehungen des Abgriffs zur Spannungsteiler-Widerstandsbahn wiedergeben, können sie mit Bezug auf den Meßweg s wie folgt ge schrieben werden:

C1 = Dk · A/s
C2 = Dk · A/(s₀-s)

mit
Dk = Dielektrizitätskonstante
A = Kondensatorfläche
s = Position der Meßelektrode
s₀ = konstanter Abstand.

Demnach ist die Ausgangsspannung der Meßbrücke (ohne Berücksichtigung des Spannungsabfalls durch Streukapazi täten und Eingangswiderstand):

Ua = K · (U1 · C1 + U2 · C2)/(C1 + C2),

mit 1 < K < 0 als Faktor, hervorgerufen durch Spannungs abfälle, Streukapazitäten u. dgl.

Wie erläutert wird durch den Regler 28 dafür gesorgt, daß Ua = 0 wird. Damit werden auch eventuelle Spannungs abfälle durch Streukapazitäten oder sonstige Störgrößen ausgeschaltet. Daß Ua = 0 wird, geschieht dadurch, daß die Speisespannung Umeß am Reglerausgang für die elek tronischen Schalter 12 zur Erzeugung der Brückenspeise spannungen U1 und U2 durch den I-Regler entsprechend eingestellt wird. Ist Ua = 0, dann gilt:

U1 · C1 = -U2 · C2,

mit anderen Worten, die Brücke ist im Gleichgewicht.

Es gilt dann entsprechend

U1 · (s₀ - s) = U2 · s.

Mit der Beziehung U1 = k · (Uref - Umeß) und U2 = k · Umeß erhält man

k · (Uref - Umeß) · (s₀ - s) = k · Umeß · s

und daraus

Umeß = Uref · (1 - s/s₀).

Von besonderer Bedeutung ist, daß durch die elektronische Schalteranordnung 12 mit Gleichspannungen bei der Speisung der "Wechselstrom"-Brücke gearbeitet werden kann, denn durch die Schaltungsabfolge sieht der kapazi tive Sensor eine bei Verschiebung der Brücke auftretende Wechselspannung, die er abtasten und auf den nachgeschal teten Wechselspannungsverstärker 15 weiterleiten kann. Dabei werden in der zeitlichen Abfolge zwei gegenphasige Spannungsquellen verwendet, deren Spannungsdifferenz (Vektoraddition) proportional der Referenzspannung ist und deren Einzelspannungen proportional zur Meßspannung (Ausgangsgleichspannung) bzw. zur Differenz zwischen Meßspannung und Referenzspannung ist.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten praktischen Ausführungsbei spiel besteht der kapazitive Sensor aus einer Wider standsbahn, über der sich die Potentialmeßsonde 15′ (Fig. 4) bewegt, wobei diese Widerstandsbahn 30 an ihren beiden Anschlußpunkten über zwischengeschaltete Verstärker und Filtereinheiten 31, 31′ in der durch den Taktgenerator 23′ vorgegebenen zeitlichen Taktabfolge entweder beidsei tig mit den Gleichspannungen +Uref und -Uref bzw. beidseitig mit der gleichen Reglerausgangsspannung Umeß, die, wie soeben erläutert, auch das Ausgangsmeßsignal für den Positionssensor darstellt, versorgt wird.

Dementsprechend ist ein dem Wechselstromverstärker 25′ nachgeschalteter Gleichrichter/Inverterblock 32 vom Taktgenerator 23′ so angesteuert, daß dann, wenn an den Anschlüssen der Potentiometerbahn 30 die Versorgungs spannungen +Uref und -Uref anliegen, der Ausgang des Wechselstromverstärkers 25′ über eine Inverterschaltung 32b auf den nachgeschalteten PI-Regler 28′ arbeitet, während dann, wenn beide Eingänge in der Taktabfolge an der Reglerausgangsspannung Umeß anliegen, auf den Gleichrichterpfad geschaltet wird.

Durch das ständige Umschalten zwischen den verschiedenen Spannungen +Uref, -Uref und Umeß an den Eingängen der Widerstandsbahn 30 ergibt sich für die kapazitiv wirkende Potentialmeßsonde insgesamt ein Wechselstromsignal, wobei sich durch entsprechende Beeinflussung der Regleraus gangsspannung Umeß die von der Potentialmeßsonde gesehene Wechselstromspannung praktisch zu Null reduziert, was der physikalischen Grundeigenschaft eines Integralreglers entspricht, der nämlich seine Ausgangsspannung Umeß so regelt, daß die Eingangsspannung am PI-Regler 28′ zu Null wird und wobei diese Spannung nur dann zu Null wird, wenn auch die an der Potibahn über die Potentialmeßsonde ausgekoppelte Spannung null ist. Damit folgt die Meß spannung proportional dem Weg der Meßelektrode, was in dem Spannungsteildiagramm der Fig. 3 verdeutlicht ist.

Von besonderer Bedeutung bei solchen Schaltungen sind auch Überwachungsmaßnahmen, die sicherstellen, daß die korrekte Funktion unter allen Umständen gewährleistet ist. Hierfür empfiehlt es sich, bevorzugt digitale Logikschaltungen wie Mikroprozessoren, Kleinrechner u. dgl. einzusetzen, denen bestimmte Eingangssignale, gegebenenfalls über Analog/Digitalwandler zugeführt sind und die diese mit entsprechenden Grenzwerten vergleichen und bei fehlender Übereinstimmung eine Alarmgabe ver anlassen oder das entsprechende Gerät auch abschalten.

Eine entsprechende Sensorüberwachung ist insbesondere bei solchen Anwendungsfällen von Bedeutung, in denen ein unbemerkter Ausfall des Sensors größere Schäden ver ursachen könnte, so daß die Funktionsfähigkeit des Sensors bei Bedarf automatisch überprüft wird. Als Ausfälle sind neben der Elektronik noch Leitungsbruch der Zuleitungen zum Sensor, Kurzschluß der Sensor-Anschlüsse und Kurzschluß der Meßelektrode und der Ausgangsspannung zu betrachten.

Neben der Überwachung der Ausgangsspannung auf Einhaltung eines plausiblen Bereichs läßt sich noch durch weitere Schaltungsmaßnahmen eine aktive Überprüfung der Funk tionsfähigkeit erreichen.

1. Abschaltung eines Zweigs der Wechselspannungsver sorgung für den Spannungsteiler

Durch einseitige Unterbrechung der Versorgung des Spannungsteilers wird nur eine Seite mit Wechsel spannung versorgt. Die Auswerteschaltung versucht daher, die verbleibende Wechselspannung am Eingang der Auswerteschaltung auf Null zu regeln. Die Wechselspannung wird dann zu Null, wenn die Aus gangsspannung gleich der Referenzspannung ist, deren zugehöriges Wechselspannungssignal noch ansteht. Voraussetzung ist dabei, daß eine Kopplung zwischen dem nicht gesperrten Ausgang und dem Eingang be steht.

Die Sperre kann durch Sperren des Taktsignals für den zugehörigen elektronischen Schalter erfolgen. Der gesperrte Ausgang bleibt niederohmig. Der Spannungsteiler des Weggebers bleibt wirksam. Dadurch ist die Kreisverstärkung des Regelkreises vom Spannungsteilerverhältnis abhängig. Dadurch wird die Geschwindigkeit beeinflußt, mit der die Aus gangsspannung der Referenzspannung nachgeführt wird.

2. Beide Anschlüsse mit gleicher Referenzspannung

Wenn beide Enden des Spannungsteilers die gleiche Spannung erhalten, erhält der Eingang der Auswerte schaltung das volle Eingangssignal unabhängig von der Stelle des Spannungsteiler-Abgriffs. Die Kreis verstärkung des Reglers wird dadurch unabhängig von der Stellung des Abgriffs. Dadurch ist die Zeit vom Anlegen der Wechselspannung bis zum Erreichen der vorgesehenen Ausgangsspannung in engen Grenzen festgelegt. Die erlaubt eine Überwachung der Ankopp lung des Meßabgriffs über die Einstellzeit von einem Referenzspannungswert zum anderen.

Hierfür sind zweckmäßigerweise zusätzliche elek tronische Schalter vorgesehen, welche auf der Gleichspannungsseite an den jeweils anderen Refe renzspannungswert gelegt werden. Dies läßt sich aber auch von außen durch entsprechendes Anlegen der Referenzspannung erzielen.

Es ist zweckmäßig, die Überwachung in beiden Be triebsarten vorzunehmen.

3. Vertauschen der Referenzspannungen

Eine weitere Überwachungsmöglichkeit besteht durch Vertauschen der Spannungsteiler-Anschlüsse. Bei ordnungsgemäßer Funktion ergibt sich eine Kennlinie mit entgegengesetzter Steigung.

Dieses Vertauschen erfolgt vorteilhaft dadurch, daß wie oben für jeden Anschluß zwei Schalterkombinatio nen vorgesehen werden, die nach Bedarf aktiviert werden. Damit erhält man zusätzlich noch die Mög lichkeit, die Richtung der Ausgangskennlinie nach Bedarf durch externe Signale auszuwählen.

In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Überwachung durch ein oder mehrere digitale Eingangssignale zu aktivieren. Für diesen Fall ist eine elektronische Schaltung vorzusehen, welche die Umschaltung der Taktsignale vornimmt. Diese Schaltung kann zusätz lich noch einen Prüfablauf steuern, durch den nacheinander die verschiedenen Prüfschritte ausge führt werden.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Ansprüche und insbesondere der Hauptanspruch Formulierungsversuche der Erfindung ohne umfassende Kenntnis des Stands der Technik und daher ohne einschränkende Präjudiz sind. Daher bleibt es vorbehalten, alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kom bination miteinander als erfindungswesentlich anzusehen und in den Ansprüchen niederzulegen sowie den Haupt anspruch in seinem Merkmalsgehalt zu reduzieren.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der jeweiligen örtlichen Position, des Verschiebewegs oder des Winkels eines Körpers durch kapazitive Abtastung, wobei eine mit einem Spannungsverteilungselement (Widerstandsbahn) in kapazitiver Wirkverbindung stehende Potentialmeß sonde längs eines vorgegebenen Wechselspannungsver teilungsmusters geführt und das abgetastete Potenti al ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden Anschlüssen des Spannungsverteilerelements (Widerstandsbahn 30) unterschiedliche Schaltspannun gen aus Bezugsspannungswerten (Uref) und rückgeführ ten Meßspannungswerten (Umeß) zugeführt werden, wobei die Meßspannung von einem Regler so einge stellt wird, daß die an seinem Eingang anstehende und damit die von der Potentialmeßsonde erfaßte Spannung zu Null wird.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der jeweiligen örtlichen Position, des Verschiebewegs oder des Winkels eines Körpers durch kapazitive Abtastung, wobei eine mit einem Spannungsverteilerelement (Widerstandsbahn) in kapazitiver Wirkverbindung stehende Potentialsonde längs eines vorgegebenen Wechselspannungsvertei lungsmusters geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einem Taktgenerator (23, 23′) gesteuer te Umschaltereinrichtung (elektronische Schalterkom bination 22) vorgesehen ist, die unter Verwendung von Bezugsspannungen (Uref1, Uref2) und einer rückgeführten Meßspannung (Umeß) zwei unterschiedli che Versorgungsspannungen (U1, U2) erzeugt und den beiden Anschlüssen des Spannungsverteilerelements (Widerstandsbahn 30) zuführt, wobei ein der Potenti almeßsonde nachgeschalteter Regler (PI-Regler 28, 28′) so ausgebildet ist, daß er durch Verstellung seiner der Meßspannung (Umeß) entsprechenden Aus gangsspannung seine Eingangsspannung und dement sprechend die von der Potentialsonde am Spannungs verteilerelement (Widerstandsbahn 30) abgetastete Sondenspannung zu Null macht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Schalter (22; CMOS) in einer ersten Taktphase eine das Spannungsverteilerelement bildende Widerstandsbahn (30) beidseitig mit Bezugs spannung (Uref1; Uref2) und in einer zweiten Taktphase beidseitig mit der vom Regler mit PI- Verhalten rückgeführten Meßspannung (Umeß) verbinden derart, daß die Potentialmeßsonde ein Wechselstrom signal sieht, welches nach Wechselstromverstärkung und phasenrichtiger Gleichrichtung bzw. Invertierung dem Eingang des PI-Reglers zugeführt ist, wobei die Reglerausgangsspannung als Meßspannung gleichzeitig die Sondenposition angibt.

4. Positionssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Potentialmeßsonde (15) und Potentialkoppelsonde (17) ein einstückiges, elektrisch leitendes, jedenfalls im Bereich ihrer Gegenflächen (Koppelelektrodenfläche 16; Spannungs teilerelement 13, Widerstandsbahn 30) jeweils eine flächige Ausdehnung aufweisendes Bauelement dar stellen, welches zur Durchführung der Meßbewegung eine einheitliche Lagerung aufweist, die so ausge bildet ist, daß sich die Kapazitätsverhältnisse im Potentialmeßsonden- und Potentialkoppelsonden- Bereich zu den jeweiligen Gegenflächen im wesentli chen veränderungsfrei verhalten.

5. Positionssensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Potentialmeßsonde mit ihrem jeweils zugeordneten Spannungsteilerelement und die Potentialkoppelsonde mit ihrer jeweils zugeordneten Koppelelektrodenfläche jeweils durch die Meßbewegung nicht veränderbare, in Reihe geschaltete Meß- und Koppelkondensatoren bilden.

6. Positionssensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die beweglichen Teile von Meß- bzw. Koppelkondensator parallel und gemeinsam in Meßrich tung antreibbar sind, während deren jeweilige Gegenflächen auf einem Trägersubstrat stationär gelagert sind.

7. Positionssensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Potentialmeßsonde (13) und Potentialkoppelsonde (17) mechanisch miteinander gekoppelt sind.

8. Positionssensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsteiler element (13) die Form einer Potentiometerwider standsbahn (30) aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungsschal tung, vorzugsweise ein Mikroprozessor vorgesehen und so ausgebildet ist, daß mindestens eine der Größen Ausgangsspannung, Kreisverstärkung, Referenzver gleich, Bezugspotential, gegenläufige Ausgangs spannungen auf Plausibilität innerhalb minimaler und maximaler Grenzen überwacht werden.