NL1012577C1 - Uitvoeringen en opstellingen van een capacitieve hoek- en krachtsensor. - Google Patents

Description

Titel: Uitvoeringen en opstellingen van een capacitieve hoek- en krachtsensor.

De uitvinding heeft betrekking op inrichtingen en opstellingen van twee of meerdere eleetroden, waartussen 5 de capaciteitsverschillen, die in het algemeen een maat zijn voor richting en grootte, gemeten worden.

Een windrichting- en windsnelheidsmeter kan als toepassingsvoorbeeld genoemd worden, waarbij de twee vlakke evenwijdigiopende electroden, afhankelijk van 10 windrichting en windsnelheid, ten opzichte van elkaar van stand veranderen. Hierbij kan verdraaiing van om de vertikale as voor nog een grootheid zorgen, bijvoorbeeld de noord-zuidpoolrichting.

Een geringe verdraaiing om de vertikale as kan zorgdragen 15 voor de mechanische nulpuntsinstelling, indien noodzakelijk.

Alle standsveranderingen worden in sensorkwadranten gedetecteerd, gemeten en via de interface in waarden weergegeven, waarop door actuatoren gereageerd kan 2 0 worden.

Het brede toepassingsgebied van de onderhavige meettechniek strekt zich uit over de automobielindustrie, de procesindustrie, de weg- en waterbouw, de land- en tuinbouw en zelfs over de computerindustrie, kortom 25 overal waar een tweetal al dan niet afhankelijke faktoren een cruciale rol spelen.

De onderhavige electroden kunnen vlak uitgevoerd zijn, maar boogvormige behoren evenzeer onder de uitvinding.

Bij de onderhavige meetmethode wordt gebruik gemaakt van 30 de reeds in de techniek bekende universal transducer interface ( UTI), waarbij micro-computerverwerking centraal staat.

10 1 2 5 7 6 2

De interface UTI kan veranderingen op de gebieden van capaciteit, uitzetting, kleur, vervormingen, richtingen etc. omzetten in een signaal, dat via een microcontroller bewerkt en omgezet wordt in een bruikbaar signaal.

5 Een tweetal -tegelijk optredende- veranderingen, zoals richting en krachtsgrootte is bij de onderhavige uitvinding uit te filteren tot een richting en een getalswaarde voor de kracht.

Een drietal -tegelijk optredende- veranderingen, zoals 10 windrichting, windkrachtsgrootte en compasrichting zijn bij de onderhavige uitvinding uit te filteren tot getalswaarden voor de drie grootheden.

Het regelmatig ijken van de compact te bouwen meter is beperkt tot het inregelen, waarna geen ijking meer 15 noodzakelijk is, omdat nauwelijks sprake is van bewegende delen, althans draaiende of schuivende delen.

De onderhavige uitvinding zal aan de hand van figuur I en diverse toepassingsvoorbeelden volgens de figuren II tot en met VI nader toegelicht worden.

20 Fig.I geeft het principe weer van de principewerking van de sensor.

Fig.il geeft standen weer van een uitvoeringsvoorbeeld van een windsnelheidsmeter, waarbij de binnenste vlakke en de buitenste vlakke electroden concentrisch buisvormig 25 zijn uitgevoerd.

Fig III toont een uitvoeringsvoorbeeld van een windsnelheidsmeter, waarbij de electrode-overlappen veranderen.

Fig.IV toont een bovenaanzicht van de 30 electrodenpositionering onderling uit Fig.III.

10 1 2 5 7 6 3

Fig.V toont voor de windrichting/windsneleidsmeter schematisch de maximale liggingen van de overlappende electrodeoppervlakken in de kwadrantuitvoering.

Fig.VI toont een joy-stick als ander uitvoeringsvoorbeeld 5 van de onderhavige uitvinding.

De Figuren Ia en lb tonen respectievelijk de nulstand en een belaste stand van een uitvoeringsvoorbeeld van de windsnelheidsmeter ten behoeve van het principewerking van de sensor.

10 Aan staaf 1 zit de bovenste vlakke electrodeplaat 2 vast bevestigd ter plaatse van de starre electrodebevestiging 3.

De staaf 1 is vast ingeklemd op de onderste vlakke electrodeplaat 4. Tussen de bovenste schijfvormige 15 electrodeplaat 2 (met een linkergedeelte 2a en een rechtergedeelte 2b) en de onderste schijfvormige electrodeplaat 4 (met een linkergedeelte 4a en een rechtergedeelte 4b) worden schematisch de linkse capaciteit 5 en de rechtse capaciteit 6 aangegeven.

20 Dit zijn meetbare waarden, die een direkte relatie hebben met de plaatselijke afstand van de electroden 2 en 4. Onder de onderhavige uitvinding vallen evenzeer niet nader aangegeven boogvormige evenwijdigverlopende electrodeplaten 2 en 4.

25 Zodra een belastingkracht 7 op staaf l uitgeoefend wordt, buigt staaf 1, zoals aangegeven in Fig Ib.

Door de buiging neemt de staaf 1 en de daaraan starverbonden bovenste electrodeplaat 2 de afgebeelde stand in, waardoor de linkse capaciteit 5 van de bovenste 30 electrodeplaat 2 vergroot wordt en dienovereenkomstig de rechtse capaciteit 6 verkleind.

10 1 2 5 7 0 4

De mate van verandering van de capaciteiten 5 respectievelijk 6 is theoretisch een indikatie voor de grootte van de belastingskracht 7.

De figuren Ha en Ilb tonen standen van een 5 uitvoeringsvoorbeeld van een windsnelheidsmeter, waarbij de binnenste vlakke en de buitenste vlakke electroden 8 en 9 concentrisch buisvormig zijn uitgevoerd.

Indien de electroden 8 en 9 concentrisch kegelvormig of concentrisch bolvormig uitgevoerd zijn, valt dit onder de 10 onderhavige uitvinding.

De windsnelheidsmeteromkasting 10 is voorzien van een stevige bodem n, waarop niet nader aangegeven electronica geplaatst kan worden en waarop staaf 12 ingeklemd of ingeschroefd aangebracht is.

15 Door de inklemming 13, enigszins verdraaibaar en naborgbaar uit te voeren, is een nastelbare mechanische nulpuntsinstelling verkregen.

Door de inklemming 13, middels een niet nader aangegeven lager verdraaibaar op te stellen in de bodem ll, is een 20 verdraaiing van staaf 12 te meten. Deze verdraaiing kan een maat zijn voor een later te noemen "derde” grootheid. De onderste electrodeplaat 14 is middels de staanders 15 stabiel en onwrikbaar bevestigd op de bodem 11.

De onderste electrodeplaat 14 is voorzien van liggende 25 electrodemateriaal 16 en vertikaal buisvormige electrodemateriaal 17.

De bovenste electrodeplaat 18 is voorzien van liggende electrodemateriaal 19 en vertikaal buisvormige electrodemateriaal 20.

30 De onderste electrodeplaat 14 en het electrodemateriaal 16 zijn voorzien van een ruim gat 21, waarvan de grootte van het gat de maximale uitwijking van de staaf 12 bepaald.

10 1 2 57 ff 5

De bovenste electrodeplaat 18 is onwrikbaar bevestigd aan de staaf 12, welke als voorbeeld voorzien is van een bolvormig aanstroomlichaam 22.

De behuizing 10 is voorzien van een staafdoorvoer 23, 5 welke van licht flexibel materiaal gemaakt is.

Tussen de liggende electrodematerialen 16 en 18 zijn schematisch de nagenoeg konstante capaciteiten 24 en 25 aangegeven.

Tussen de staande electrodematerialen 17 en 20 zijn 10 schematisch de variabele capaciteiten 26 en 27 aangegeven.

In Figuur Ilb is de verbuiging van de staaf 12 zichtbaar gemaakt door bijvoorbeeld een windkracht 28, waarbij de staande buisvormige electroden 17 en 20 aan de ene kant 15 dichter bij elkaar gekomen zijn en aan de rechter kant evenzoveel verder van elkaar gekomen zijn .

De overeenkomstige capaciteiten zijn overeenkomstig de genoemde afstanden gelijkmatig veranderd.

De liggende electrodeplaten 16 en 19 veranderen 20 nauwelijks van afstand en derhalve zal hier geen capaciteitsverandering optreden.

In het voorgaande is sprake geweest van capaciteitsverandering ten gevolge van afstandsverandering van electroden.

25 Fig lil toont een uitvoeringsvoorbeeld van een windsnelheidsmeter, waarbij de overlappen 20 en 21 van de respectievelijk electrodeoppervlakken 22-23 en 24-25 veranderen, zodanig dat het overlappende oppervlak van het ene gedeelte van het totale oppervlak afneemt (22-23) 30 en van het tegenoverliggende gedeelte van het oppervlak toeneemt (24-25).

Onder de onderhavige uitvinding vallen ook uitvoeringen, waarbij capaciteitsveranderingen ontstaan, doordat alleen 1012576 6 overlappende oppervlakken van electroden ten opzichte van elkaar veranderen.

Fig III toont een uitvoeringsvoorbeeld van een windsnelheidsmeter, waarbij de overlappen 29 en 30 van de 5 respectievelijk eleetrode-oppervlakken 31-32 en 33-34 veranderen, zodanig dat het overlappende oppervlak van het ene gedeelte van het totale oppervlak afneemt (31-32) en van het tegenoverliggende gedeelte van het oppervlak toeneemt (33-34), uitgedrukt in de capaciteitswaarden van 10 de capaciteiten 35 en 36.

De vaste electroden zijn 32, 33, 37 en 38, terwijl de "losse" electroden zijn 31,34,39 en 40.

Tussen de electrodencombinatie 40-37 respectievelijk 38-39 heerst een vaste capaciteit 41.

15 Fig.iv toont een bovenaanzicht van de electrodenpositionering onderling uit Fig.III.

De vaste (niet gearceerde) electrode bestaat overeenkomstig Fig.III

uit: 32,33,37,38 en de in Fig.III niet zichtbare 20 electroden 42,43,44,45.

Fig III is een denkbare horizontale doorsnede over Fig IV en volgens de horizontale doorsnedelijn M-M.

De gearceerde electroden vertegenwoordigen de "losse" electroden 32,34,40,39 en de in Fig.III niet zichtbare 25 electoden 46,47,48,49.

Het bovenaanzicht Fig.IV is verdeeld in kwadranten A,B,C en D, die gescheiden zijn door de hoofdrichtingslijnen 1-1 en k-k.

Fig.V toont voor de windrichting/windsnelheidsmeter 30 schematisch de maximale liggingen van de overlappende electrodeoppervlakken in de kwadranten A,B,C en D.

Indien in Fig.Va sprake is van een maximale wind uit het noorden (aangeduid met pijl N), dan zal de grootste to 1 2 5 7 6 7 overlap 50 plaatsvinden in kwadrant C en de kleinste overlap 51 in kwadrant A.

Bij een maximale oostenwind (aangeduid met pijl O) in Fig Vb, zal de grootste overlap 52 plaatsvinden in kwadrant D 5 en de kleinste overlap 53 in kwadrant B plaatsvinden.

Op deze wijze wordt overeenkomstig het voorgaande de uiterste overlappen 54 in Fig Vc en 55 in Fig Vd weergegeven voor respectievelijk een maximale zuidenwind (aangeduid met pijl Z) en een maximale westenwind 10 (aangeduid met pijl W)

Vanzelfsprekend zijn de tussenliggende combinatiewinden, zoals NW in Fig Ve, ZW in Fig Vf, etc. duidelijk herkenbaar aan de kwadrantligging van de grootste en kleinste oppervlakken, waarbij de grootte van de 15 oppervlakken overeenkomt met de grootte van de windkracht.

Indien de kwadranten A,B,C en D ook nog draaibaar zijn om het middelpunt 56, dan is een derde grootheid zoals compasrichting nog te meten, welke bepaald kan 20 wordn door de ligging van de middellijnen 57 en 58 ten opzichte van de vaarlijn 59 van een denkbeeldig schip. Hiervoor zou dan het bolvormig aanstroomlichaam 22 uit Fig.II voorzien moeten zijn van magnetisch materiaal met een Noord- en Zuidpool.

25 Bij electroden-uitvoeringen met een andere veelvoudverdeling dan de voornoemde kwadranten, bijvoorbeeld een eenzesde verdeling, is een grootheid naukweuriger te detekteren.

Fig.VI toont een joy-stick als ander uitvoeringsvoorbeeld 30 van de onderhavige uitvinding, waarbij ook overlappende electrodeoppervlakken veranderen, zodanig dat het overlappende oppervlak van het ene gedeelte van het 10 1 2 57 6 8 totale oppervlak toeneemt en van het tegenoverliggende gedeelte van het oppervlak afneemt.

Fig.VI toont een joy-stickbediening, waarbij een tweetal hydraulische servoventielen 60 en 61 om als voorbeeld een 5 tweetal hydraulische dubbelwerkende cilinders 62 en 63 dubbelzijdig proportionaal aan te sturen.

De proportionele aansturingen 64 tot en met 67 van de ventielen 60 en 61 kan geschieden met de in Fig IV symbolisch aangegeven methode, waarbij overlappende 10 oppervlakken veranderen, zodanig dat het overlappende oppervlak van het ene gedeelte van het totale oppervlak toeneemt en van het tegenoverliggende gedeelte van het oppervlak afneemt, waarbij bijvoorbeeld een dubbelwerkende cilinder, zoals 62 of 63 met verschillende 15 zuigeroppervlakken toch beide bewegingskanten op dezelfde snelheid krijgt.

Bij de toepassing van bijvoorbeeld twee hydraulische dubbelwerkende cilinders 62 en 63 is het mogelijk de ene cilinder proportioneel sneller uit te laten gaan, terwijl 20 de andere cilinder evenredig langzamer uitgaat, afhankelijk van de stand van de joy-stick 68.

De grootte van de cilindersnelheidsveranderingen resulteren uit de toe of afnamegrootte overlappende oppervlakken 69 en 70.

25 In fig VI is eveneens schematisch weergegeven, hoe de capaciteitswaarden 71 en 72 middels de interface 73 vertaald en gekoppeld worden aan de proportionele stuurschuiven 60 en 61, waarbij genormaliseerde hydraulieksymbolen gebruikt zijn.

30 Bij een niet nader aangegeven hydraulische hijskraan met meerdere hydraulische cilinders is deze joy-stickbediening nauwkeuriger en storingslozer bedienbaar dan de tot op heden in de techniek toegepaste mechanische joy-stick.

10 1 2 57 6 9

Bij de stuurknuppelbediening van een vliegtuig, worden hydraulische signalen naar stuurschuiven uitgestuurd, waardoor hydraulische beweegbare componenten, zoals stuurkleppen, bediend.

5 Op basis van onderhavige uitvinding, is "fly by wire" mogelijk, omdat de stuurknuppel uitgevóerd kan zijn volgens het systeem van Fig.vi.

Bij de 2 knops-computermuis kunnen op basis van onderhavige uitvinding eenvoudig en goedkoop 10 de linker en rechtermuisknop uitgevoerd worden volgens Fig VI.

In Fig.VII zijn aanzichten van een computerjoy-stick 75, waarbij in principe gebruik gemaakt wordt van een tweetal verstelbare potentiometers 76 en 77.

15 Potentiometers hebben als nadeel, dat ze verstoffen, slijtagegevoelig zijn en hun nauwkeurigheid niet behouden, omdat ze niet kontaktloos zijn, wat wel het geval is bij onderhavige uitvinding.

De joy-stickknop 75 zit vast op de joy-stickstang 78, die 20 het kogelgewricht 79 met daaraan de pen 80, die zowel in de gebogen x-richtingssleufhouder 81, als in de y-richtingssleufhouder 82 vrij kan bewegen volgens aangegeven pijlen 83 en 84.

De sleufhouders 81 en 82 zijn elk gelagerd met de 25 glijlagers 85 tot en met 86.

Aan de draaibare sleufhouders 81 en 82 zijn de potentiometers 76 en 77 bevestigd.

Bij een willekeurige (x-y)-stand van de joy-stick 75 zijn de potentiometers 76 en 77 verdraaid, waardoor een 30 tweetal meetbare weerstanden ontstaan, die een overeenkomen met het bedoelde effect van de de joy-stick: bijvoorbeeld de verlangde rijrichting en de verlangde snelheid van een computergestuurde speelgoedauto, middels stuurinrichtingsbediening en gashandelbediening.

10 1 2 57 6 10

Middels de onderhavige uitvinding kan door veranderlijke segmentoppervlakken ook het gewenste resultaat bereikt worden, zonder de nadelige effecten van een potentiometer te hebben.

5 Kortom: tal van toepassingen zijn denkbaar met onderhavige kontaktloze uitvinding met als kenmerkende eigenschap, dat geen gebruik gemaakt wordt van slijtgevoelige "bewegende" delen, althans draaiende of schuivende delen.

10 Middels computerbewerking is ieder capaciteitssignaal om te zetten naar een betrouwbaar gegeven, dat breed toepasbaar in de techniek in zijn algemeenheid en in het bijzonder daar waar sprake is van twee totaal verschillende grootheden, zoals windkracht en 15 windrichting.

10 1 2 5 7 6

Claims (7)

1. De uitvinding heeft betrekking op inrichtingen en opstellingen van twee of meerdere electroden, waartussen de capaciteitsverschillen, welke een maat zijn 5 voor een tweetal grootheden, gemeten worden met het kenmerk, dat ze geen verband en derhalve grotendeels onafhankelijk zijn, zoals windrichting en windkracht.

2. De uitvinding heeft betrekking op inrichtingen en opstellingen van twee of meerdere electroden 10 volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de electroden evenwijdig lopen, vlak of een gebogen uitvoering hebben.

3. De uitvinding heeft betrekking qp inrichtingen en opstellingen van twee of meerdere electroden volgens de conclusies 1 en 2 met het kenmerk, dat de in 15 sectoren verdeelde electroden ten gevolge van de optredende grootheden, zodanig van stand veranderen, dat de sectoren groter of kleiner worden in een of meerdere onafhankelijke sectorrichtingen. De grootte komt overeen met de ene grootheid en de 20 richting komt overeen met de andere grootheid.

4. De uitvinding heeft betrekking op inrichtingen en opstellingen van twee of meerdere electroden volgens de conclusies 1 tot en met 3 met het kenmerk, dat de electroden ten opzicht van elkaar enigszins te 25 verdraaien zijn om naast de electronische weg ook een mechanische nulpuntsinstelling té hebben.

5. De uitvinding heeft betrekking qp inrichtingen en opstellingen van twee of meerdere electroden volgens de conclusies 1 tot en met 4 met het kenmerk, dat 30 bij de onderhavige goedkope meetmethode gebruik wordt gemaakt van een universal transducer interface ( UTI), waarbij computerverwerking centraal staat. 10 * 2 5 7 6 De interface UTI kan veranderingen op de gebieden van capaciteit, uitzetting, kleur, vervormingen etc. omzetten in een signaal, dat via een microcontroller bewerkt en omgezet wordt in een bruikbaar signaal.

6. De uitvinding heeft betrekking op inrichtingen en opstellingen van twee of meerdere electroden volgens de conclusies 1 tot en met 5 met het kenmerk, dat bij segmentindeling van de electroden door verdraaiing van de segmenten ook tot meting van een derde grootheden 10 gekomen kan worden, bijvoorbeeld bij de windmeter de compasrichting of te wel de vaarrichting.

7. De uitvinding heeft betrekking op inrichtingen en opstellingen van twee of meerdre electroden volgens de conclusies 1 tot en met 6 met het kenmerk, dat 15 specifieke toepassingen genoemd kunnen worden als windkracht/snelheidsmeter, proportionele aansturing in de hydrauliek, joy-stickbedieningen, stuurknuppelbedieningen, computermuisbedieningen, meet-en regelsystemen e.a.

7. De uitvinding heeft betrekking op inrichtingen en opstellingen van twee of meerdere electroden volgens de conclusies 1 tot en met 6 met het kenmerk, dat de veelvoudsverdeling van de electroden anders dan in kwadranten leidt tot een nauwkeurigere en goedkopere 25 grootheidsbepaling. 10 1 2 57 6