DE69213573T2 - Messgerät linearer Verschiebung und Dehnung - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung zum Messen relativer Verschiebung und im speziellen auf eine Vorrichtung zum Messen von Dehnung in einem Objekt.
• Die Messung von Dehnung (die Änderung der Länge eines Objektes in irgendeiner Richtung pro Einheit unverformter Länge) in Proben und Objekten kann entweder direkt oder indirekt ausgeführt werden. Einige der Ansätze, die für direkte Dehnungsmessung gebraucht werden, umfassen den Gebrauch von angeklebten Drahtdehnungsmeßlehren (bei denen ein Gitter dehnungsempfindlichen Drahtes an eine Probe geklebt wird, so daß eine Änderung in der Länge des Gitters aufgrund von Dehnungen in der Probe den Widerstand des Drahtes ändert, der dann gemessen werden kann), mechanische Dehnungsmeßlehren (bei denen optische oder mechanische Hebelsysteme benutzt werden, um die Dehnung zu vervielfachen, die dann mit einem passenden Maßstab gelesen werden kann), magnetische Dehnungsmeßlehren (welche magnetische Kreise enthalten, die Luftspalte enthalten, welche die magnetische Leitfähigkeit der Kreise ändern, wenn sie als Ergebnis einer Dehnung in den Proben geändert werden, um eine Anzeige der erzeugten Dehnungen zu liefern), Halbleiterdehnungsmeßlehren (bei welchen der Widerstand eines piezoelektrischen Materials sich mit angelegter Spannung und resultierender Dehnung in dem Material ändert), Kapazitätsdehnungsmeßlehren (bei welchen eine Änderung der Kapazität, die durch die Änderung des Abstandes von Elementen aufgrund der Dehnung in der Probe hervorgerufen werden, gemessen werden kann, um eine Ablesung der Dehnung zu liefern), kapazitive Meßgeräte linearer Verschiebung, die als Dehnungsmeßwertumwandler mit festen Kondensatorplatten benutzt werden, wobei eine Öffnung zwischen den Platten durch die lineare Verschiebung bewegt wird, die ein Maß der Dehnung ist, und dabei die Kapazität des Systems ändert (siehe z.B. US-A-4,030,347 und US-A-4,944,181), Dehnungsmeßwertumwandler, die auf Meßgeräten linearer Verschiebung basieren und die Änderung der Kapazität während lateraler Verschiebung von Elektroden, die als Kondensatorplatten dienen, messen, wie in CH-A-665714, CH-A-670306 und DE-A-3436681 offenbart (worin eine bewegliche Senderplatte ein lateral gemustertes elektrisches Feld erzeugt, das mittels Kondensatorplatten, die auf einer festen Detektorplatte angeordnet sind, zu Elektroden übermittelt wird, die wiederum auf der Senderplatte angeordnet sind; elektrische Verbindungen werden entsprechend diesen Dokumenten nur zu der beweglichen Senderplatte gemacht),
• und Feld-Effekt-Dehnungssensoren (in denen ein flexibles Substrat ein Element zur Erzeugung eines elektrischen Feldes und ein oder mehr Elemente zum Nachweis elektrischer Felder umfaßt zum Bestimmen der Position der Nachweiselemente relativ zu dem felderzeugenden Element, um dadurch ein Maß für die relative Bewegung und auf diese Weise eine Ablesung der Dehnung in einem Objekt, an das das Substrat befestigt ist, zu liefern). Andere direkte Dehnungsmeßgeräte umfassen akustische Dehnungsmeßlehren, brüchige Lackschichten und Photogitter.
• Ansätze zum indirekten Messen von Dehnung in einer Probe umfassen den Gebrauch von Verschiebungsaufnahmeelementen, Geschwindigkeitsaufnahmeelementen und Beschleunigungsnachweiselementen.
• Ein Nachteil von manchen dieser konventionellen Ansätze zur Messung von Dehnung ist es, daß die benutzten Elemente oft schwer an einer Probe befestigt werden können oder schwer mit einer Probe gebraucht werden können, deren Dehnung zu messen ist. Zudem sind solche Elemente typischerweise schwierig und kostenintensiv herzustellen. Schließlich benötigt man eine Klebung hoher Qualität solcher Elemente an die Probe, um ein Ablösen aufgrund von Fehlfunktionen des Klebers, aufgrund der intrinsisch hohen axialen Steifheit vieler solcher Elemente, zu verhindern, und das erfordert auf der anderen Seite zeitraubende und sorgfältige Präparation der Probe zum Kleben.
• Der Feld-Effekt-Dehnungssensor, der kurz oben erwähnt wurde, beugt einigen dieser Probleme vor und überwindet sie und kann sehr kompakt und billig gemacht werden (siehe US-Patent Nr. 4,964,306). Jedoch würden für einige sogar noch präzisere Anwendungen Dehnungsmeßwertumwandler benötigt oder sind zumindest wünschenswert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Es ist ein Ziel der Erfindung, einen leicht herstellbaren, effektiven und hochpräzisen uniaxialen Dehnungsmeßwertumwandler bereitzustellen.
• Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, einen solchen Meßwertumwandler bereitzustellen, der eine hohe Auflösung und einen großen dynamischen Bereich relativ zu der Größe des Meßwertumwandlers hat. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen solchen Meßwertumwandler bereitzustellen, bei dem relativ wenige Drähte und Drahtverbindungen zum Aufbau und zum Betrieb des Meßwertumwandlers benötigt werden.
• Es ist auch ein Ziel der Erfindung, einen solchen Meßwertumwandler bereitzustellen, der gut geeignet ist bei einer Herstellungsmethode, die Integration sehr hohen Maßstabs (VLSI) gebraucht.
• Noch ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen solchen Meßwertumwandler bereitzustellen, der so konstruiert ist, daß er im allgemeinen unempfindlich gegenüber unerwünschten mechanischen und Umwelteinflüssen ist.
• Die obigen und andere Ziele der Erfindung werden durch die Merkmale erreicht, die in den charakterisierenden Teilen der Ansprüche beschrieben sind.
• Dabei beschreiben Ansprüche 1 bis 27 ein Meßgerät linearer Verschiebung und Ansprüche 28 bis 40 seine spezifische Ausführungsform als Dehnungsmeßwertumwandler.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen dargelegt ist, offensichtlich werden, wobei:
• Fig. 1 eine Explosionsansicht eines Meßelementes linearer Verschiebung und Dehnung ist, das in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung gemacht ist;
• Fig. 2 eine obere Draufsicht der H-Struktur, der Feder zur Erzeugung senkrechter Kraft und des Senders der Fig. 1 ist;
• Fig. 3 obere Draufsichten des Detektors und des Senders des Elementes der Fig. 1 sind;
• Fig. 3A eine obere Draufsicht einer anderen Ausführungsform eines Senders zum Gebrauch mit der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 4 eine graphische obere Draufsichtdarstellung einer Ausführungsform des Senders der vorliegenden Erfindung ist, gezeigt, so daß sie Gray-Code-Spuren und ein Vernier-Feld umfaßt;
• Fig. 5 eine obere schematische Ansicht ist, die Fühlerelemente zeigt, die relativ zu linearen Spuren einer Senderausführung der vorliegenden Erfindung positioniert sind;
• Fig. 6 ein Schema einer Ausführungsform eines Analog-zu-Digital-Umwandlers ist, der passend für den Gebrauch in der vorliegenden Erfindung ist;
• Fig. 7 eine schematische und diagrammartige Darstellung von linearen komplementären Spuren ist, die eine Gray- Code-Konfiguration darstellen, und
• Fig. 8 eine graphische Auftragung von beispielhaften Ausgaben von Vernier-Feldsensoren der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• Mit Bezug zu Fig. 1 ist eine Explosionsansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Meßwertumwandlers linearer Verschiebung und Dehnung gezeigt, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum Messen von Dehnung in einer Probe, an die der Meßwertumwandler befestigt ist, gemacht ist. Der Meßwertumwandler umfaßt eine Grundplatte 4, die an eine Probe, in der Dehnung zu messen wäre, befestigt würde. Eine Detektorplatte 8 ist auf der Grundplatte 4 in einer festen Position angeordnet. Ein Abstandshalter 12, der mit einer Öffnung 16 ausgebildet ist, ist auf der Grundplatte 4 angeordnet um den Detektor 8 zu umgeben, und eine biegsame Leiterplatte 20 ist auf der Grundplatte 4 innerhalb der Öffnung 16 des Abstandshalters 12 befestigt. Die biegsame Leiterplatte 20 ist aus einem biegsamen Material, wie z.B. Plastik, gefertigt und trägt elektrische Leiter zur Verbindung mit der Detektorplatte 8, um Signale zu ihr zu liefern und Signale von ihr wegzutragen. Ein anderer Abstandshalter 24 ist auf dem Abstandshalter 12 angeordnet und noch ein dritter Abstandshalter 28 ist auf dem Abstandshalter 24 angeordnet. Eine Öffnung 32 ist in einer Seite des Abstandshalters 28 gebildet, um eine gummiartige Dichtung anzupassen, um einen Vorsprung 36 einer H-förmigen Trägerplatte oder -struktur 40 zu umgeben, wie es gleich diskutiert wird.
• Die H-Struktur 40 ist eine flexible Platte, die einen Rahmen 44 und den langgezogenen Vorsprung 36, der mit Hilfe von Beinen 48 mit dem Rahmen verkoppelt ist um Bewegung des Vorsprungs relativ zu dem Rahmen zu erlauben, umfaßt. An der Unterseite des Vorsprungs 36 ist eine Feder 34 zur Erzeugung senkrechter Kraft befestigt und auf der Feder zur Erzeugung senkrechter Kraft ist mittig eine Senderplatte oder -chip 38 befestigt. Wenn alle die so beschriebenen Teile wie angedeutet miteinander verbunden werden, steht der Sender 38 durch die zentralen Öffnungen in den Abstandshaltern 28 und 24 vor, um in leichtem Kontakt mit der Detektorplatte 8 zu stehen. Die Dicken der Abstandshalter 28 und 24 sind so gewählt, daß der Senderchip 38 gerade in Kontakt mit der Detektorplatte 8 steht.
• Auf der H-Struktur 40 ist ein Abstandshalter 52 montiert, der eine Öffnung 56 in einer Seite hat, wiederum um die gummiartige Dichtung für den Vorsprung 36 anzupassen. Ein anderer Abstandshalter 60 ist auf der Oberseite des Abstandshalters 52 angeordnet und eine Abdeckungsplatte 64 ist auf dem Abstandshalter 60 angeordnet, um die Anordnungseinheit abzudecken und um Verunreinigung ihrer Teile zu verhindern.
• Wie bereits angedeutet, sind die Öffnungen 32 bzw. 56 der Abstandshalter 28 bzw. 52 ausgebildet, um das Vorstehen des Vorsprungs 36 durch sie zu ermöglichen. Eine flexible gummiartige Dichtung (nicht gezeigt), würde die Öffnungen 32 und 56 ausfüllen, um den Vorsprung 36 zu dichten, um Bewegung des Vorsprungs zu erlauben, jedoch auch um Eintreten von Verunreinigungen, etc. in die Einheit zu verhindern.
• Die Grundplatte 4 und die Abdeckungsplatte 64 können z.B. aus Metall so wie Berylliumkupfer gemacht sein, die Abstandshalter 12, 24, 28, 52 und 60 können auch aus einem Metall so wie Berylliumkupfer gemacht sein. Die H-Struktur 40 ist aus einem federnden Metall gemacht, genauso wie die Feder 34 zur Erzeugung senkrechter Kraft. Die Teile können unter Gebrauch konventioneller Verbindungstechniken miteinander verbunden werden.
• Fig. 2 zeigt eine obere Draufsicht der H-Struktur 40 von Fig. 1 einen Plattenrahmen 44 umfassend, an den ein langgezogener Vorsprung 36 angekoppelt ist. Der Vorsprung 36 kann an seinem freien Ende an eine Probe, in der die Dehnung zu messen ist, befestigt werden und, wie bereits angedeutet, kann die Grundplatte 4 (Fig. 1) auch an der Probe befestigt werden, so daß Dehnung, die in der Probe am Ort der Befestigung der Grundplatte und des Vorsprungs auftritt, eine Bewegung des Vorsprungs relativ zu der Grundplatte und so relativ zu dem Rahmen 44 hervorruft.
• Der Rahmen 44 umfaßt ein Paar von seitlichen Schienen 100 und 104, die an einem ihrer Enden durch eine Endschiene 108 verbunden sind. Die anderen Enden der seitlichen Schienen 100 bzw. 104 sind mit großen Plattenbereichen 112 bzw. 116 ausgebildet. Der Vorsprung 36 erstreckt sich zwischen die Plattenbereiche 112 und 116 und endet in einem vergrößerten Befestigungsbereich 120. Der Befestigungsbereich 120 ist an einer Seite durch ein Paar von Beinen 124 und 128 mit der seitlichen Schiene 100 verkoppelt und an der anderen Seite durch ein Paar von Beinen 132 und 136 mit der seitlichen Schiene 104. Der Rahmen 44 ist aus einem federnden Material wie Berylliumkupfer gefertigt, um Biegung der Beine 124, 128, 132 und 136 und auf diese Weise lineare Bewegung des langgezogenen Vorsprungs 36 relativ zu dem Rahmen zu ermöglichen.
• Von jeder Seite des vergrößerten Befestigungsbereiches 120 erstrecken sich Vorsprünge 140 und 144, auf denen eine Federplatte 34 zur Erzeugung senkrechter Kraft befestigt ist. Die Plattenbereiche 112 bzw. 116 umfassen außerdem Vorsprünge 148 bzw. 152, die sich zueinander und in Aussparungsbereiche 156 bzw. 160 des langgezogenen Vorsprungs 36 erstrecken. Die Vorsprünge 148 und 152 dienen als Stopper, um die lineare Bewegung des Vorsprungs 36 zu begrenzen und Bewegung in jede Richtung über einen bestimmten Punkt hinaus zu verhindern. Das heißt, die Vorsprünge 148 und 152 stehen in Kontakt mit den Kanten der Aussparungsbereiche 156 und 160 um weitere Bewegung des Vorsprungs über gewisse Grenzen hinaus zu verhindern.
• Die Federplatte 34 zur Erzeugung senkrechter Kraft umfaßt einen Zentralbereich 164, auf dem der Senderchip 38 befestigt ist. Die Federplatte 34 zur Erzeugung senkrechter Kraft umfaßt zudem einen Randbereich 168, der den Zentralbereich 164 umschreibt, und mit diesem durch eine Vielzahl von Beinen 142 Verbunden ist. Die Federplatte 34 zur Erzeugung senkrechter Kraft ist aus einem federnden Material gemacht um den Zentralbereich 164 und so den Senderchip 38 senkrecht nach außen, weg von dem vergrößerten Befestigungsbereich 120 der H-Struktur 40, vorzuspannen oder zu drücken.
• Die Federplatte 34 wird auf den Vorsprüngen 140 und 144 mit Hilfe von Befestigungsfüßen befestigt, gezeigt durch die gestrichelte Linie 176, welche die Federplatte zur Erzeugung senkrechter Kraft oberhalb des vergrößerten Befestigungsbereiches 120 halten. Die Kombination der Elastizität der Federplatte 34 zur Erzeugung senkrechter Kraft und die Anordnung der Befestigungsfüße 176 dient dazu, den Sender 38 senkrecht nach außen von der H-Struktur 40 und in Richtung des Detektors 8 (Fig. 1), wie früher beschrieben, vorzuspannen oder zu drücken. Ein abrieb-resistenter Film, wie z.B. Siliciumnitrid wird auf dem Sender 38 und/oder dem Detektor 8 vorgesehen, um Reibung und Abrieb zwischen diesen beiden zu verhindern. Alternativ zur Anordnung des Senders 38 und des Detektors 8 in leichtem reibenden Kontakt kann der Emitter durch einen mechanischen Träger so gehalten werden, daß er gerade nicht den Kontakt mit dem Detektor ist.
• Fig. 3 zeigt obere diagrammartige Draufsichten der Detektorplatte 8 und dem Senderchip 38 der Fig. 1. Die Teile des Senderchips 38 werden auf der Unterseite des Chips positioniert, und dann kann der Chip über dem Detektorchip 8 angeordnet werden, wie früher beschrieben.
• Der Senderchip 38 ist so angeordnet, daß er sich linear in der Richtung, die durch die Pfeile 202 angedeutet ist, bewegt. Der Chip 38 umfaßt eine Saphirplatte 203 auf der eine Vielzahl von linearen Spuren 204 gebildet ist, die Seite an Seite angeordnet sind, um sich im wesentlichen parallel mit der Richtung der Bewegung des Chips zu erstrecken. Jede der Spuren 204 ist mit abwechselnd leitfähigen und nichtleitfähigen Segmenten ausgebildet, wobei die leitfähigen Segmente 208 schraffiert gezeigt sind und die nichtleitfähigen Segmente unschraffiert. (Die Spurdarstellungen 204 sind einfach gezeichnet um die Idee der Aufteilung zu zeigen und sollten nicht so gesehen werden, daß sie ein tatsächliches Muster, so wie das in Fig. 7 gezeigte, darstellen.) Die leitfähigen Segmente 208 sind elektrisch miteinander und mit einer leitfähigen Schicht 224 verbunden, die einen großen Bereich der Platte 203 überdeckt. Die leitfähigen Segmente 208 und die leitfähige Schicht 224 könnten z.B. aus einer Schicht oder einem Film aus Aluminium gemacht sein. Wie es diskutiert wird, können die leitfähigen Segmente 208 gespeist werden, um ein elektrisches Feldmuster zu erzeugen, das linear über die Spuren 204 variiert. Weil die leitfähigen Segmente 208 alle elektrisch miteinander verbunden sind, ist das leitfähige Muster elektrisch fortlaufend, ohne isolierende Bereiche, um die Elektrifizierung des Musters durch kapazitive Kopplung zu ermöglichen, wie es auch später beschrieben wird.
• Vorteilhafterweise ist das leitfähige Muster der Bereiche auf dem Senderchip 38 so ausgebildet, daß es einen Gray-code darstellt, so daß die Bewegung des Senderchips vorbei an einer querlaufenden Anordnung von Punkten (an denen elektrische Feldsensoren angeordnet sein werden) in stufenartigen Änderungen im Wert des Codes resultiert. Selbstverständlich kann dieser Wert nachgewiesen werden, wenn der Wert sich stufenartig ändert, wenn der Senderchip bewegt wird, um eine Ablesung der linearen Verschiebung des Senders relativ zu dem Detektor und so eine Ablesung der Dehnung bereitzustellen.
• Eine graphische Darstellung der Spuren 204 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Spuren sind als komplementäre oder konjugierte Paare 252, 256, etc., wie angedeutet, dargestellt, außer daß jede Spur eines Paares mindestens eine Spur von der anderen Spur des Paares entfernt ist, wie in Fig. 7 gezeigt. Die Spuren jeden Paares sind in Fig. 4 einfach zur Erleichterung der Erklärung Seite an Seite positioniert dargestellt. Der komplementäre oder konjugierte Aspekt von jedem Paar von Spuren ist bezüglich der Segmente 252a und 252b des Paares von Spuren 252 dargestellt. Segment 252a ist als schraffiert in Fig. 4 gezeigt, andeutend, daß es metallisiert oder aus einer leitfähigen Materialschicht gemacht ist, wobei das helle oder unschraffierte Segment 252b andeutet, daß das Segment nicht leitfähig ist. Segmente 252a und 252b belegen dieselbe transversale Position auf der Senderplatte, jedoch selbstverständlich in einzelnen, voneinander beabstandeten Spuren. In ähnlicher Weise sind die Segmente 256a und 256b (die größer als die Segmente 252a und 252b sind) konjugiert, wobei der Bereich 256a metallisiert ist und 256b unmetallisiert ist. Wie bereits erwähnt, sind die metallisierten Bereiche fähig ein elektrisches Feld zu erzeugen, wobei die unmetallisierten Bereiche dies nicht sind, und auf diese Weise wird ein elektrisches Feld auf dem Senderchip entwickelt, das linear in Richtung der Bewegung des Chips variiert.
• Wieder mit Bezug zu Fig. 3 ist ein Feld 212 von leitfähigen Fingern 216 gezeigt, die Seite an Seite transversal von der Feldachse positioniert sind. Die leitfähigen Finger 216 sind alle durch einen Leiter 220 mit der leitfähigen Schicht 224 verkoppelt, so daß Speisung der leitfähigen Schicht in Speisung der leitfähigen Finger resultieren wird, um elektrische Felder zu erzeugen, genauso wie es die metallisierten Segmente 208 tun.
• Das leitfähige Fingerfeld 212 ist als Vernier-Feld ausgebildet, um ein Mittel zur Bestimmung der Position und der Bewegung des Senderchips 38 zwischen Stufen und Übergängen von einem Wert zum nächsten Wert der Cray-Code-Spur 204 bereitzustellen. Das heißt, Übergänge von einem Wert zu einem anderen Wert entlang der Cray-Code-Spuren 204 treten über einen bestimmten Intervall oder einer bestimmten Entfernung der Bewegung auf, und das Vernier-Feld 212 ist vorgesehen, um Positionen und Bewegung innerhalb eines solchen Intervalls zu bestimmen. Vernier-Mässung linearer Verschiebung wurde in US-Patent Nr. 4,964,306 beschrieben, welches hierin als Referenz mit aufgenommen ist, und dieselben Techniken werden hier gebraucht. Die Cray-Code-Spuren 204 stellen so einen großen dynamischen Bereich für den Meßwertumwandler der vorliegenden Erfindung zur Verfügung und das Vernier-Feld 212 stellt die gewünschte hohe Auflösung zur Verfügung.
• Die Detektorplatte 8, die in Fig. 3 gezeigt ist und z.B. aus Silicium gemacht ist, umfaßt ein Feld von elektrischen Feldsensoren 232, die angeordnet sind, um sich transversal von den segmentierten Spuren 204 zu erstrecken, wenn der Senderchip 38 oberhalb der Detektorplatte 8 angeordnet ist. Wie es im Detail später beschrieben wird, ist jeder Sensor in dem Feld 232 gegenüber einer entsprechenden der segmentierten Spuren angeordnet. Außerdem ist auf der Detektorplatte 8 ein zweites Feld von elektrischen Feldsensoren 236 geformt, so positioniert, daß es gegenüber dem leitfähigen Fingerfeld 221 liegt, wenn die Senderplatte 38 und die Detektorplatte wie in Fig. 1 angedeutet zusammengebaut werden. Die Sensoren des Feldes 236 sind am besten in Fig. 4 als transversale Detektorelemente 206 gezeigt, die gleichförmig gerade ein bißchen weiter voneinander entfernt sind, als die gleichförmig beabstandeten darunterliegenden leitfähigen Finger 212. Das heißt, über eine gegebene Distanz des Sensorfeldes 236 und des leitfähigen Fingerfeldes 212 wird ein leitfähiger Finger mehr vorhanden sein als Sensoren, und diese Konfiguration definiert den Vernier-Maßstab des Meßwertumwandlers.
• Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Anordnung komplementärer Spuren, die in einem linearen Feld ausgelegt und so ausgebildet sind, daß sie einen Cray-Code darstellen. Die Spuren sind auf der rechten Seite gezeigt, mit den metallisierten Bereichen schraffiert um "0-en" darzustellen und den nichtmetallisierten Bereichen um "1-en" darzustellen. Der entsprechende Codewert für jedes stufenartige Vorrücken entlang der Spuren ist auf der linken Seite gezeigt und, wie es gesehen werden kann, erhöht sich der Codewert um ein Bit, während stufenartig vom oberen zum unteren Ende der Spuren vorgerückt wird. Wie es auch gesehen werden kann, sind alle metallisierten Bereiche der Spur elektrisch fortlaufend und können leicht unter Gebrauch von Ätz- und photolithographischen Techniken gefertigt werden.
• Wieder mit Bezug zu Fig. 3 ist eine leitfähige Schicht 240 gezeigt, die angeordnet ist, um zwei Drittel der Detektorplatte 8 zu bedecken und teilweise das Sensorfeld 232 zu umgeben. Ein integrierter Schaltkreis 228 ist auch auf der Detektorplatte 8 geformt, um die Prozeßlogik zur Berechnung linearer Verschiebung oder Dehnung, die von den Sensorfeldern 232 und 236 der Senderplatte 38 nachgewiesen werden, bereitzustellen. Der integrierte Schaltkreis 228 stellt außerdem Speisungssignale für die leitfähige Schicht 240 in der Form von rechteckwellenförmigen Signalen zur Verfügung. Die leitfähige Schicht entwickelt andererseits elektrische Felder, die kapazitiv die leitfähige Schicht 240 mit der leitfähigen Schicht 224 des Senderchips 38 koppeln; die leitfähigen Elemente 208 und die leitfähigen Finger 212 werden dadurch gespeist um die gewünschten elektrischen Feldmuster zu erzeugen.
• Fig. 3A zeigt eine obere Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Senders der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform sind zwei Sätze 241 und 242 von ineinandergreifenden leitfähigen Fingern vorgesehen, wobei jeder Satz zu einer entsprechenden leitfähigen Schicht 243 bzw. 244 gekoppelt ist. Zwei einzelne leitfähige Schichten auf der Detektorplatte können kapazitiv zu den leitfähigen Schichten 243 und 244 koppeln um die leitfähigen Fingerfelder 241 und 242 mit 180º Phasenverschiebung zu treiben oder zu speisen, um ein zweipoliges Senderfeld bereitzustellen. Der Vorteil des zweipoligen Senderfeldes ist es, daß ein besserer Kontrast im elektrischen Feld, das von den ineinandergreifenden Fingern ausgesendet wird, erreicht wird, wodurch die Auflösung des Meßwertumwandlers erhöht wird.
• Mit Bezug zu Fig. 5 ist eine schematische Ansicht eines Bereiches eines Senderchips 304 gezeigt, der eine Vielzahl von segmentierten Spuren 308 zeigt. Oberhalb der Spuren, in zwei Feldem angeordnet, sind ein transversales Feld von Sensoren 312 (Cray-Code-Feld) und ein kolineares Feld von Sensoren 316 (Vernier-Feld) gezeigt.
• Diese Sensorfelder werden auf der Detektorplatte (in Fig. 5 nicht gezeigt) angeordnet. Das Vernier-Feld 316 wird alternativ eher aus einem Paar von komplementären, segmentierten Spuren 318 zusammengesetzt als aus leitfähigen Fingern, wie in Figuren 3, 3A und 4 diskutiert.
• Jeder Sensor in den Feldern umfaßt zwei Elemente zum Nachweis elektrischer Felder so wie Elemente 320 und 324, wobei jedes oberhalb einer entsprechenden Spur des komplementären Paares angeordnet ist, um die elektrischen Felder zu schneiden, die von den Spuren ausgehen. Jeder Sensor in den Feldern umfaßt außerdem einen rückkoppelnden Differentialverstärker, wie einen Verstärker 328, der an die Fühlerelemente angekoppelt ist (wie die Fühlerelemente 320 und 324). Mit dieser Konfiguration werden die Fühlerelemente 320 und 324 gegenteilige Bedingungen nachweisen, weil die zwei Spuren über denen sie angeordnet sind, konjugiert sind. Das heißt, wenn ein Fühlerelement ein elektrisches Feld von einem elektrifizierten Bereich fühlt, wird das andere Fühlerelement die Abwesenheit eines elektrischen Feldes von einem nichtelektrifizierten Bereich fühlen, und umgekehrt. So werden entgegengesetzte Signale (z.B. ein hohes und ein niedriges Signal) von den Fühlerelementen 320 und 324 zu dem rückkoppelnden Differentialverstärker 328 geliefert. Der Differentialverstärker 328 erzeugt andererseits ein Ausgabesignal, das die Differenz zwischen den Werten der Eingabesignale darstellt. Der rückkoppelnde Differentialverstärker enthält eine Schaltung, so daß, wenn er abgetastet (strobed) wird, er ein erstes Signal gibt, wenn die Größe des koppelnden Feldes auf der ersten seiner zwei Sensorplatten größer ist als auf seiner zweiten Platte, und ein zweites Signal gibt, wenn die zweite Platte ein größeres gekoppeltes elektrisches Feld erhält. Der Gebrauch von konjugierten Spuren und rückkoppelnden Differentialverstärkern zum Nachweis der elektrischen Felder erhöht die Verläßlichkeit beim Nachweis von Übergängen zwischen elektrischen Feldern und keinen elektrischen Feldern gegenüber dem, was erreichbar wäre, wenn einzelne Spuren gebraucht würden.
• Für das Vernier-Feld 316 ist die Anzahl der Sensoren vorteilhafterweise eins weniger als die Anzahl der Segmentübergänge (oder leitfähigen Fingern, wenn Finger gebraucht werden) oberhalb des Bereiches der Spuren 318, die von dem Vernier-Feld bedeckt werden. Mit dieser Konfiguration werden sehr kleine lineare Verschiebungen des Senderchips 304 darauffolgende der Sensoren in dem Vernier-Feld 316 hervorrufen um Übergänge nachzuweisen, um dadurch Ablesungen oder Messungen von kleinen stufenartigen Verschiebungen zur Verfügung zu stellen. Im Effekt stellt das Vernier-Feld 316 feine Ablesungen von linearer Verschiebung zwischen aufeinanderfolgenden Stufen oder Änderungen im Cray-Code-Wert zur Verfügung, der von dem transversalen Feld von Sensoren 312 nachgewiesen wird.
• Die Sensoren einschließlich der Fühlerelemente und der Differentialverstärker werden auf der Detektorplatte mit Hilfe der Herstellungstechnik der Integration sehr hohen Maßstabs (VLSI) gefertigt. Die Ausgaben der Sensoren werden zur Interpretations- und Berechnungslogik geliefert, die auf der Detektorplatte auch unter Gebrauch der Technik der Integration sehr großen Maßstabs gefertigt sind (bezeichnet als integrierter Schaltkreis 228 in Fig. 3). Eine solche Logik umfaßt Vernier- Feldinterpretationslogik 330, welche die Ausgabe von den Sensoren in dem Vernier-Feld der Sensoren 316 empfängt und die Vernier-Maßstablesung, die durch die Sensorausgabe dargestellt wird, in einen binär-kodierten Wert umwandelt. Dies kann durch Tabellennachschauen, konventionelle kombinatorische Logik oder statistische Probennahme geschehen. Dieser Binärwert wird durch die Logik 330 zu einem logischen Kombinationskreis 333 geliefert. Der Kreis 333 kombiniert die Information von den Vernier- und Cray-Code-Feldern in einen endgültigen digitalen Ausgabewert, der die Verschiebung anzeigt.
• Die Ausgaben von den Sensoren in dem Gray-Code-Sensorfeld 312 werden zu einem Cray-Code-zu-binär-Umwandler 332 geliefert, der die Sensorausgaben zu einer binären Darstellung des Wertes des Cray-Codes umwandelt, der von dem Gray-Code-Sensorfeld eintrifft. Diese binäre Information wird zu dem logischen Kombinationskreis 333 geliefert, der die Informationen mit der binären Information, die von der Logik 330 empfangen wurde, kombiniert und sie zu einem Schieberegister 334 liefert.
• Die binäre Information, die in dem Schieberegister 334 gespeichert ist, mit der Information in der Logik 330, die niedriger signifikante Bitpositionen darstellt, und der Information von dem Umwandler 332, die höher signifikante Bitpositionen darstellt, liefert einen Nachweis der linearen Position oder Verschiebung des Senderchips 304 und so einen Nachweis der Dehnung, die in der Probe auftritt, auf der der Meßwertumwandler befestigt ist.
• Auf diese Weise werden gröbere Positionen oder Verschiebungen des Senderchips 304 durch Nachweis der Gray-Code-Änderungen mit der Bewegung des Chips bestimmt, wobei das Vernier-Feld von Sensoren 316 eine feinere Positions- oder Verschiebungsbestimmung des Senderchips (zwischen jeder Stufe im Wert des Cray-Codes) bereitstellt.
• Die Information, die in dem Schieberegister 334 gespeichert ist, kann selektiv von dem Register zu einem Busempfänger 338 in Antwort zu einem Schiebesignal, das von einem Zähler- Ikomparatorkreis 340 empfangen wird, geschoben werden. Der Zähler-/Komparatorkreis 340 zählt Uhrpulse, die von dem Busempfänger 338 geliefert werden, und wenn die zählung einen Wert erreicht, der mit einer Adresse korrespondiert, die in einem Adressenregister 344 gespeichert ist, wird das Schiebesignal zum Schieberegister 334 gegeben. Die Adresse, die in dem Adressenregister 344 gespeichert ist, bezeichnet den speziellen Meßwertumwandler, von dem die Schaltung der Fig. 5 ein Teil ist. Der Gebrauch des Adressenregisters 344 in dieser Art erlaubt das Zusammenführen der Ausgaben von vielen Meßwertumwandlern auf einen einzelnen Ausgabebus, wie den Bus 348, der in Fig. 5 gezeigt ist. Im Effekt würden die Uhrpulse, die von dem Busempfänger 338 zu dem Zähler/Komparator 340 geliefert werden, auch parallel zu anderen Zählern/Komparatoren anderer Meßwertumwandler geliefert und, wenn eine spezielle Adresse, die die entsprechenden Meßwertumwandler bezeichnet, von den entsprechenden Zählern/Komparatoren erreicht wird, würden die Verschiebungs- oder Dehnungsmessungen, die in den entsprechenden Shiftregistern ist, auch zu dem Bus 348 zur letztendlichen Weitergabe zu einer Gebrauchseinheit (Bedienungseinheit) 352 geliefert. Auf diese Weise werden Dehnungsmessungen auf dem Bus 348 zusammengeführt und zu der Gebrauchseinheit 352 geliefert, welche die Information darstellen kann, sie für den Gebrauch beim Ausrichten der Probe, in der die Dehnung auftritt, prozessieren kann etc. Der Bus 348 und die Gebrauchseinheit 352 würden allen Meßwertumwandlern gemeinsam sein, wobei jeder Meßwertumwandler seinen eigenen Busempfänger, sein eigenes Schieberegister, seinen eigenen Zähler/Komparator, sein eigenes Adreßregister, etc. umfaßt. Alle diese Logik und Schaltungen können auf der Detektorplatte auf dem integrierten Schaltkreisbereich 258, der in Fig. 3 gezeigt ist&sub1; unter Gebrauch von Techniken der Integration sehr hohen Maßstabes (VLSI) gefertigt werden.
• Alternativ zum Einschließen der Logik und der Schaltungen, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, kann ein Mikroprozessor zum Prozessieren der Sensorausgaben vorgesehen werden, um die Berechnungen zur Bestimmung linearer Verschiebung oder Dehnung durchzuführen. Dies kann auf eine Vielzahl von Arten geschehen, einschließlich des Gebrauches eines Algorithmus, der die Phase einer Wellenform bestimmt, die durch das Auftragen der Ausgaben von jedem der Sensoren in dem Vernier-Feld entwickelt wird, wie in Fig. 8 gezeigt. Die Phase dieser periodischen Wellenform ist mit Bezug zu dem ersten Sensor in dem Feld ein Maß für die Verschiebung zwischen Sender und Detektor. In dem Fall, daß der Sensor ein abzutastender (strobed) rückkoppelnder Differentialverstärker mit nur zwei möglichen Ausgabezuständen ist, muß der Datenpunkt für jeden Sensor durch vielmaliges Abtasten des Sensors und Gebrauch des Verhältnisses der Anzahl von erhaltenen ersten Ausgabezuständen pro Anzahl Abtastungen als Maß für die Differenz in der Feldstärke, die an den zwei Sensorplatten des Verstärkers erhalten wird, erzeugt werden. Die Phase der Wellenform, wie sie durch den Algorithmus bestimmt wird, wird dann in einen Binärwert umgewandelt.
• Anstelle von Sensoren, die Fühlerelemente und Differentialverstärker gebrauchen, können Feld-Effekt-Transistoren vorgesehen werden zum Nachweis der Variation in der elektrischen Feldstärke, die von den leitfähigen Fingern auf den Vernier-Feldem ausgehen. Die Feld-Effekt-Transistoren können Ausgabesignale bereitstellen, deren Werte in wohlbekannter Weise proportional zu der Stärke des nachgewiesenen elektrischen Feldes sind. Solche Ausgaben können durch den Analog-zu-Digital-Umwandler, der in Fig. 6 gezeigt ist, von der analogen Form in eine digitale Form umgewandelt werden. Hier sind zwei Analog- zu-Digital-Umwandler 404 und 408 gezeigt. Jeder Analog-zu-Digital-Umwandler empfängt eine Ausgabe von einem anderen Feld- Effekt-Transistor über die Leitungen 410a, 410b, etc. Jeder Analog-zu-Digital-umwandler empfängt auch ein rampenartiges Spannungssignal von einem Generator 412 zur Erzeugung eines rampenförmigen Spannungssignals und einen Uhrpuls von einem Uhrpulserzeuger 416. Die rampenartige Spannung wird an einen Komparator 420 geliefert, welcher einen Zähler 424 anspricht, wenn der Wert der rampenartigen Spannung den Wert des Signals erreicht, das von dem entsprechenden Feld-Effekt-Transistor erhalten wird. Die Uhrpulse von dem Uhrpulserzeuger 416 werden an den Zähler 424 geliefert, der die Pulse zählt, bis ein Signal von dem Komparator 420 erhalten wird, zu welchem Zeitpunkt der Zähler die dann vorliegende Zählung an die Ausgabedrähte 428 zur Übermittlung an die in Fig. 5 beschriebene logische Interpretations- und Berechnungsschaltung liefert. Auf diese Weise wird der Wert des Ausgabesignals von jedem Feld- Effekt-Transistor-Sensor in den Digitalwert zur Prozessierung umgewandelt. Der Zähler 424, der Komparator 420, der Generator 412 zur Erzeugung einer rampenartigen Spannung und der Uhrpulsgenerator 416 sind alles konventionelle Bauelemente.
• Es ist so zu verstehen, daß die oben beschriebenen Anordnungen nur beispielhaft für die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung sind. Zahlreiche Abänderungen und alternative Anordnungen können von Fachleuten abgeleitet werden, ohne den Bereich der angefügten Ansprüche zu verlassen, welche solche Abänderungen und Anordnungen abdecken sollen.

Claims (40)

1. Meßgerät linearer Verschiebung, das folgendes umfaßt:

ein linear bewegliches Element (36), dessen lineare Verschiebung gemessen werden soll;

Sendermittel (38), auf dem beweglichen Element (36) angeordnet, um sich zu bewegen, wenn das Element bewegt wird;

zur Entwicklung vorbestimmter Muster von elektrischen Feldern, die linear auf dem Sendermittel (38) in der Richtung der Bewegung des Elementes (36) variieren;

Detektormittel (8), in direkter Nachbarschaft zu dem Sendermittel (38) angeordnet und benachbart zu dem Weg, auf dem sich das Sendermittel bewegt, um die Änderung in den elektrischen Feldmustern nachzuweisen, wenn das Sendermittel (38) bewegt wird, um Ausgabesignale zu erzeugen, die die Änderung in den elektrischen Feldmustern und so der linearen Verschiebung des beweglichen Elementes (36) darstellen;

gekennzeichnet dadurch, daß

das Detektormittel (8) Ausgabeelemente (228) zum Ausgeben der Ausgabesignale umfaßt und daß das Detektormittel (8) nicht zusammen mit dem Sendermittel (38) bewegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Sendermittel eine im wesentlichen ebene Senderplatte (38) umfaßt, die auf dem linear beweglichen Element (36) befestigt ist, um sich in der Ebene, die von der Senderplatte definiert wird, zu bewegen und um die elektrischen Felder senkrecht von der aktiven Seite der Platte wegzurichten, und wobei das Detektormittel eine im wesentlichen ebene Detektorplatte (8) umfaßt, im wesentlichen parallel zu der Senderplatte auf deren aktiver Seite, um dadurch die Änderung in den elektromagnetischen Feldmustern nachzuweisen, wenn die Senderplatte bewegt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin das bewegliche Element (36) eine langgezogene vorspringende Einrichtung umfaßt und worin die Senderplatte (38) auf der vorspringenden Einrichtung befestigt ist und eine Vielzahl von Senderelementbereichen (208, 216, 308, 318) umfaßt, die in vorbestimmten Mustern auf der aktiven Seite der Platte geformt sind, um elektrische Felder als Antwort auf elektrische Eingabesignale zu entwickeln, wobei die Vorrichtung weiterhin Mittel zum Liefern elektrischer Eingabesignale zu den Senderelementbereichen umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin die Sendermittel (38) weiterhin Vorspannungsmittel umfaßt, die zwischen der vorspringenden Einrichtung und der Senderplatte (38) angeordnet sind, um die Platte in leichten reibenden Kontakt mit der Detektorplatte vorzuspannen und worin die Detektorplatte (8) einen abrieb-wiederstandsfähigen Film aufweist, der über der Detektorplatte angeordnet ist für leichten reibenden Kontakt mit der Senderplatte.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin das Vorspannungsmittel folgendes umfaßt:

eine Federplatte (34), federnd in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Federplatte und einen Zentralbereich (164), an dem die Senderplatte (38) befestigt ist, einen äußeren Rahmenbereich (168) und eine Vielzahl von Beinen (172), die den Zentralbereich mit dem Rahmenbereich verbinden, habend, und

Befestigungsfüße (176), die zwischen dem Rahmenbereich der Federplatte (34) und der vorspringenden Einrichtung (36) angeordnet sind, um die Federplatte oberhalb der vorspringenden Einrichtung zu halten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Mittel zum Liefern eines elektrischen Eingabesignals folgendes umfaßt:

eine Schicht leitfähigen Materials (240), die auf der Seite der Detektorplatte (8), die der aktiven Seite der Senderplatte (38) zum Entwickeln eines elektrischen Feldes gegenüberliegt, angeordnet ist, um die Schicht und die Senderelementbereiche (208, 216, 308, 318) kapazitiv zu koppeln, wenn ein Spannungssignal an die Schicht geliefert wird, wobei die Senderelementbereiche dabei elektrische Felder entwickeln, und

Spannungslieferungseinrichtungen zum Liefern eines Spannungssignals an die leitfähigen Materialschicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, worin die Senderelementbereiche (208, 216, 308, 318) elektrisch miteinander gekoppelt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Senderelementbereiche (208) als eine Vielzahl von linearen, Seite an Seite angeordneten, selektiv segmentierten Spuren (204) ausgebildet sind, derart positioniert, daß sie Muster, die sich aufeinanderfolgend linear entlang der Senderplatte (38) in der Richtung der Spuren ändern, darstellen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin das Detektormittel eine erste Vielzahl von elektrischen Feldsensoren (232) aufweist, die in einem Feld auf der Detektorplatte (8) im wesentlichen transversal zu den Spuren angeordnet sind, um Änderungen in den elektrischen Feldmustern nachzuweisen, wenn sich die Senderplatte (38) bewegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, worin die segmentierten Spuren (204) so geformt sind, daß sie einen digitalen Cray-Code darstellen, so daß bei Bewegung der Senderplatte (8) in Stufen vorbestimmter Größe die Sensoren mindestens eine Ein-Bit-Änderung in dem Code nachweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Spurbereiche (208), die den Cray-Code darstellen, als eine Vielzahl von Paaren von komplementären Spuren (252a, 252b, 256a, 256b) ausgebildet sind, wobei jede Spur eines Paares lateral mindestens um eine Spur beabstandet ist, und worin die Sensoren (232) eine Vielzahl von Paaren von Sensoren umfassen, wobei jedes Paar benachbart zu einem entsprechenden Paar komplementärer Spuren positioniert ist, um elektrische Felder nachzuweisen, die von den Spuren (204) ausgehen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin jedes Paar der Sensoren eine Vielzahl von elektrischen Leitern umfaßt, die benachbart zu einem entsprechenden Paar von komplementären Spuren positioniert sind, um elektrische Felder zu schneiden, welche von den Leitern ausgehen können, wenn die Senderplatte (38) bewegt wird, und eine Differentialverstärkereinrichtung, die mit den elektrischen Leitern gekoppelt ist, um ein Ausgabesignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen elektrischen Feldern, die von den elektrischen Leitern geschnitten werden, darstellt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die Sensoren (232) einen Feld-Effekt-Transistor umfassen, zur Erzeugung von Ausgabesignalen, die die Stärke der elektrischen Felder darstellen, die von den Transistoren nachgewiesen werden, wenn sich die entsprechenden Spuren (204) daran vorbeibewegen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Senderplatte (38) eine Vielzahl von gleichförmig beabstandeten leitfähigen Fingern (216) umfaßt, die Seite an Seite in einem Feld (212), im wesentlichen parallel zu den Spuren (204), angeordnet sind und elektrisch mit den Senderelementbereichen (208) gekoppelt sind, um elektrische Felder zu erzeugen, wenn die Senderelementbereiche elektrische Felder erzeugen, und worin das Detektormittel weiterhin eine zweite Vielzahl von elektrischen Feldsensoren (260) umfaßt, die in einem Feld auf der Detektorplatte (8) gegenüber dem Feld der leitfähigen Finger (212) auf der Senderplatte (38) zum Nachweis der Änderung in der elektrischen Feldstärke, die von den Fingern (216) ausgeht, wenn die Senderplatte (38) sich relativ zu den Sensoren bewegt, angeordnet ist, wobei die Sensoren (260) der zweiten Vielzahl gleichförmig beabstandet sind, so daß für einen bestimmten Bereich der Bewegung der Senderplatte (38) jeder Sensor an einem Punkt in dem Bereich der einzige Sensor (260) sein wird, der direkt gegenüber einem leitfähigen Finger (216) in einer Vernier-Konfiguration positioniert ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, die weiterhin Mittel (243) zum Speisen von jedem zweiten leitfähigen Finger (241) in dem Feld mit einem elektrischen Signal einer Polarität und Mittel (244) zum Speisen der übrigen leitfähigen Finger (242) in dem Feld mit einem elektrischen Signal einer anderen Polarität umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin der Abstand der Sensoren (260) in der zweiten Vielzahl von dem Abstand der leitfähigen Finger (216) abweicht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin jeder Sensor folgendes umfaßt:

ein Paar von elektrischen Leitern (320, 324) in der Richtung des Sensorfeldes (212) beabstandet und einen Nachweisverstärker (328), der an das Paar von elektrischen Leitern (320, 324) angekoppelt ist, um auf ein Abtastsignal durch Erzeugung eines ersten Signals, wenn einer der Leiter des Paares näher an einem leitfähigen Finger ist als der andere, und eines zweiten Signals, wenn der andere Leiter näher an einem leitfähigen Finger ist als der erste Leiter, zu antworten,

worin das Detektormittel (8) weiterhin Mittel zum selektiven Liefern von Abtastsignalen zu dem Nachweisverstärker (328) und Mittel zum Empfangen der ersten und zweiten Signale von dem Nachweisverstärker und zum Bestimmen der Anzahl von ersten Signalen, die von jedem Nachweisverstärker für eine gegebene Anzahl von Abtastsignalen zu dem Nachweisverstärker geliefert werden, erhalten werden, umfaßt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, worin die Paare von Leitern (320, 324) und leitfähigen Fingern (318) relativ so zueinander angeordnet sind, um einen Vernier-Maßstab zu definieren.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin das Detektormittel weiterhin folgendes umfaßt:

Mittel zum Entwickeln von den ersten und den zweiten Signalen, einer periodischen Datenauftragung, die die Anzahl von ersten Signalen für eine vorbestimmte Anzahl von Abtastsignalen darstellt, die von jedem Nachweisverstärker (328) erzeugt werden, und eine Periode hat, die mit der Differenz im Abstand zwischen den leitfähigen Fingern und den Paaren der elektrischen Leiter korrespondiert, und

Mittel zur Bestimmung der Phase der periodischen Kurve relativ zu dem ersten Nachweisverstärker in dem Feld, um dadurch die Verschiebung der Senderplatte (38) relativ zu der Detektorplatte (8) zu bestimmen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin das Phasenbestimmungsmittel Prozessierungseinrichtungen zur Berechnung der Nulldurchgänge der Kurve umfaßt, um die Phase zu erhalten.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin das Phasenbestimmungsmittel Prozessierungseinrichtungen zum Anpassen einer vorbestimmten mathematischen Funktion an mindestens einen Bereich der Kurve nach der Methode der kleinsten Quadrate aufweist, um dadurch die Phase zu erhalten.

22. Vorrichtung nach Anspruch 19, worin das Phasenbestimmungsmittel Prozessierungseinrichtungen umfaßt, um die Kurve um einen Wert zu versetzen, der ausreicht, um eine geänderte Kurve mit einem verschwindenden Durchschnittswert zu erzeugen, wobei ein Bereich der geänderten Kurve integriert wird, die Position entlang der geänderten Kurve bestimmt wird, an der die Integration am nächsten zu Null ist, und die modifizierte Kurve in einem positiven Übergang ist, um so die Phase zu erhalten.

23. Vorrichtung nach Anspruch 14, worin die Sensoren Feld- Effekt-Transistoren umfassen, um analoge Signale zu erzeugen, deren Größe die Stärke der elektrischen Felder darstellt, denen die Transistoren ausgesetzt sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, worin das Detektormittel (8) weiterhin Analog-zu-Digital-Umwandlungsmittel (404, 408) zum Umwandeln der analogen Signale, die von den Feld-Effekt-Transistoren erzeugt werden, in digitale Signale aufweist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, worin das Analog-zu-Digital-Umwandlungsmittel folgendes umfaßt:

einen Generator (412) zur Erzeugung eines rampenartigen Signals, um eine Aufeinanderfolge von rampenartigen Signalen zu erzeugen,

eine Uhreinrichtung (416) zur Erzeugung einer Serie von Uhrpulsen,

eine Vielzahl von Komparatormitteln (420), wobei jedes an einen anderen Feld-Effekt-Transistor und an den Generator zur Erzeugung eines rampenartigen Signals gekoppelt ist, um das Analog-Signal von einem korrespondierenden Feld-Effekt-Transistor mit einem rampenartigen Signal zu vergleichen und um ein Ausgabesignal zu erzeugen, wenn die verglichenen Signale gleich sind,

eine Vielzahl von Zählern (424), von denen jeder an eine andere Komparatoreinrichtung (420) und an die Uhreinrichtung (416) gekoppelt ist, um eine digitale Zählung zu erzeugen, die die Anzahl der Uhrpulse darstellt, die zwischen dem Erhalt der Ausgabesignale von der entsprechenden Komparatoreinrichtung erhalten werden.

26. Vorrichtung nach Anspruch 14, die weiterhin umfaßt:

Mittel (332), angekoppelt an die erste Vielzahl von Sensoren (312), zur Entwicklung erster binärer Daten, die Cray-Code-Werte darstellen, die von der ersten Vielzahl von Sensoren (312) nachgewiesen werden,

Mittel (330), angekoppelt an die zweite Vielzahl von Sensoren (316), zur Erzeugung von zweiten binären Daten, die Vernier-Messungen darstellen, die von der zweiten Vielzahl von Sensoren (316) nachgewiesen werden, und

Mittel (333), zur Kombinierung der ersten und zweiten binären Daten zu einem binären Wort, das die lineare Verschiebung der Senderplatte relativ zu der Detektorplatte darstellt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, die weiterhin umfaßt:

einen Datenbus (338), der an eine Gebrauchseinheit (348) gekoppelt ist,

ein Schieberegister (334) zum temporären Speichern der binären Worte,

ein Adressenregister (344) zum Speichern einer Adreßnummer, die die Vorrichtung bezeichnet,

Zähler-/Komparatormittel (340), die an das Adreßregister gekoppelt sind, um Uhrpulse zu empfangen und zu zählen und dem Schieberegister (334) anzuzeigen, seinen Inhalt zu dem Datenbus (338) zu schieben, wenn die Uhrpulszählung dem Wert der Adreßnummer entspricht, und

Mittel zum Liefern von Uhrpulsen zu dem Zähler- /Komparatormittel (340).

28. Ein Meßgerät linearer Verschiebung nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch

seinen Gebrauch als uniaxialem Dehnungsmeßwertumwandler;

einen Rahmen (44), der an ein Objekt befestigt werden kann, in dem Dehnung zu messen ist;

und dadurch, daß das linear bewegliche Element (36) ein langgezogenes Element (36) ist, das an einem Ende mit dem Rahmen (44) verbunden ist und in einer linearen Richtung relativ dazu beweglich ist, wobei das Element (36) an dem anderen Ende an einem anderen Teil des Objektes befestigt werden kann, welcher von dem Teil des Objektes, an dem der Rahmen (44) befestigt ist, beabstandet ist;

und dadurch, daß das Sendermittel (38) auf dem langgezogenen Element (36) angeordnet ist, um sich zu bewegen, wenn das Element bewegt wird, und mindestens eine lineare Spur aufweist, die sich in der Richtung der Bewegung des Sendermittels (38) zur Entwicklung vorbestimmter Muster elektrischer Felder erstreckt, die sich entlang der Länge der Spur ändern; und

dadurch, daß das Detektormittel (8) auf dem Rahmen (44) angeordnet ist.

29. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 28, worin der Rahmen (44) eine biegsame Struktur (40) umfaßt, die folgendes aufweist:

erste und zweite voneinander beabstandete, im wesentlichen parallele seitliche Schienen (100, 104) und eine Endschiene (108), die ausgewählte Enden der seitlichen Schienen verbindet und im wesentlichen senkrecht dazu ist, und

ein erstes Paar lateral flexibler Beine (124, 128), die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken, zur Verbindung der ersten seitlichen Schiene (100) mit einer Seite des langgezogenen Elementes (36) an einem Ende (120) davon, und

ein zweites Paar lateral flexibler Beine (132, 136), die sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken, um die zweite seitliche Schiene (104) mit der anderen Seite des langgezogenen Elementes (36) an einem Ende (120) davon zu verbinden, wobei die Beine dabei uniaxiale Bewegung des langgezogenen Elementes relativ zu den seitlichen Schienen erlauben.

30. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 29, der weiterhin einen abrieb-wiederstandsfähigen Film aufweist, der zwischen dem Detektormittel (8) und dem Sendermittel (38) vorgesehen ist, und ein federndes Vorspannungsmittel (34), das zwischen dem Sendermittel (38) und dem langgezogenen Element (36) angeordnet ist, um das Sendermittel (38) von dem langgezogenen Element (36) weg in leichten reibenden Kontakt mit dem Film auf dem Detektormittel (8) zu zwingen, aufweist.

31. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 30, worin das Vorspannungsmittel folgendes umfaßt:

eine Federplatte (34), federnd in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Platte, und einen zentralen Bereich (164), auf dem das Sendermittel (38) angeordnet ist, einen äußeren Trägerbereich (168) und eine Vielzahl von federnden Beinen (172), die den zentralen Bereich mit dem Trägerbereich verbinden, habend, um den zentralen Bereich von dem langgezogenen Element (36) wegzuzwingen, und

Befestigungsfüße (176), die zwischen dem Trägerbereich (168) der Federplatte (34) und dem langgezogenen Element (36) angeordnet sind, um die Federplatte (34) oberhalb des langgezogenen Elementes (36) beabstandet zu halten.

32. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 31, worin der Rahmen weiterhin umfaßt: eine Grundplatte (4), auf der das Detektormittel (8) angeordnet ist, wobei die Grundplatte (4) an das Objekt befestigt werden kann,

ein erster Abstandshalter (28), der auf der Grundplatte (4) angeordnet ist, um das Sendermittel (38) zu umgeben, wobei die biegsame Struktur (40) auf dem ersten Abstandshalter (28) befestigt ist, so daß das Sendermittel (38) in leichtem Kontakt mit dem Detektormittel (8) angeordnet ist,

einen zweiten Abstandshalter (52), der auf den seitlichen Schienen (100, 104) und der Endschiene (108) der biegsamen Struktur (40) angeordnet ist, und

eine Abdeckungsplatte (64), die oberhalb des zweiten Abstandshalters (52) angeordnet ist.

33. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 30, worin das Sendermittel (38) eine Vielzahl von parallelen, linearen Spuren (204) aufweist, die sich in der Richtung der Bewegung des Sendermittels (38) erstrecken, wobei jede der Spuren segmentiert ist, um eine Vielzahl von voneinander beabstandeten leitfähigen Bereichen (208) zu definieren, um elektrische Felder zu erzeugen, wenn sie gespeist werden,

worin das Detektormittel (8) eine Vielzahl von Sensoren (232) umfaßt, von denen jeder benachbart zu einer entsprechenden Spur angeordnet ist, um elektrische Felder der entsprechenden Spur nachzuweisen, wenn das Sendermittel (38) relativ zu den Sensoren (232) bewegt wird, und elektrische Ausgabesignale zu produzieren, die die nachgewiesenen elektrischen Felder darstellen,

wobei der Meßwertumwandler weiterhin Mittel zum Speisen der leitfähigen Bereiche und Mittel zum Erzeugen von Gebrauchsinformation, die die Größe der Bewegung des Sendermittels relativ zu dem Detektormittel anzeigt, aus den elektrischen Ausgabesignalen aufweist.

34. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 33, worin die Bereiche (208) der Spuren (204) so ausgebildet sind, daß sie einen Cray-Code definieren, dessen Werte sich stufenartig relativ zu der Bewegung der Spuren (204) entlang einem festen transversalen Ort auf dem Detektormittel (8) ändern, und worin die Sensoren (232) in einem Feld angeordnet sind, das mit dem transversalen Ort übereinstimmt.

35. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 34, worin das Detektormittel weiterhin eine zweite Vielzahl (260) von Sensoren umfaßt, die linear, benachbart zu einer ausgewählten Spur (212), angeordnet sind, und so relativ zu den Bereichen (216) der ausgewählten Spur positioniert sind, um Vernier-Messungen der Bewegung der ausgewählten Spur (212), relativ zu der zweiten Vielzahl von Sensoren (260), zu erzeugen.

36. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 35, worin die Spuren (204) als eine Vielzahl von Paaren von komplementären Spuren (252a, 252b, 256a, 256b) ausgebildet sind, in denen die Bereiche von einer Spur eines Paares an einer gegebenen transversalen Position zu den Bereichen einer anderen Spur eines Paares konjugiert sind, und worin jeder Sensor folgendes umfaßt:

ein Paar von Detektorelementen, die, benachbart zu entsprechenden Spuren eines Paares zum Nachweis der elektrischen Felder, die durch die Bereiche der entsprechenden Spuren erzeugt werden, angeordnet sind, und

einen rückkoppelnden Differentialverstärker, der an das Paar von Detektorelementen angekoppelt ist, um ein Sensorsignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen elektrischen Feldern darstellt, die von den Detektorelementen nachgewiesen werden.

37. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 36, worin die komplementären Spuren (204) eines jeden Paares lateral um mindestens eine Spur voneinander beabstandet positioniert sind.

38. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 33, worin das Mittel zum Speisen eine leitfähige Platte (240) umfaßt, die auf dem Detektormittel (38) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in Antwort zu einem Spannungssignal angeordnet ist, um dadurch die leitfähigen Bereiche (208) des Sendermittels (38) zu speisen und sie zu veranlassen, ein elektrisches Feld zu erzeugen, und worin das Mittel zum Speisen Einrichtungen zum Liefern eines Spannungssignals zu der leitfähigen Platte umfaßt, und worin die leitfähigen Bereiche (208) elektrisch miteinander verbunden sind.

39. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 34, worin das Mittel zum Speisen eine leitfähige Platte (240), die auf dem Detektormittel (8) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in Antwort auf ein Spannungssignal angeordnet ist, um dadurch die leitfähigen Bereiche (208) des Sendermittels (38) zu speisen und sie zu veranlassen, elektrische Felder zu erzeugen, und Mittel zum Liefern eines Spannungssignals an die leitfähige Platte aufweist, und worin die leitfähigen Bereiche (208) elektrisch miteinander verbunden sind.

40. Ein Meßwertumwandler nach Anspruch 39, worin das Sendermittel (38) weiterhin eine zweite leitfähige Platte (224) aufweist, die elektrisch mit den leitfähigen Bereichen (208) der Spuren (204) verbunden ist, um mindestens einen Teil des elektrischen Feldes zu schneiden, das von der leitfähigen Platte (240) des Detektormittels (8) erzeugt wird.