NL9301674A

NL9301674A - Capacitive position sensor.

Info

Publication number: NL9301674A
Application number: NL9301674A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Tech Wetenschapp
Priority date: 1993-09-28
Filing date: 1993-09-28
Publication date: 1995-04-18
Also published as: WO1995009349A1

Description

CAPACITIEVE POSITIEOPNEMERCAPACITIVE POSITION RECORDER

De uitvinding heeft betrekking op een door middel van elektromagnetische straling werkende positieopnemer, omvattende: een stralingsbron voor het uitzenden van elektromagnetische straling; een reeks onderling gelijke in een vlak gelegen opneemsegmenten die zijn ingericht voor het opvangen van door de stralingsbron uitgezonden straling, waarbij de stralingsbron evenwijdig aan het vlak beweegbaar is ten opzichte van de reeks opneemsegmenten; en een met elk van de opneemsegmenten verbonden bewer-kings s chakeling.The invention relates to a position sensor operating by means of electromagnetic radiation, comprising: a radiation source for emitting electromagnetic radiation; a series of mutually equal in-plane recording segments adapted to receive radiation emitted by the radiation source, the radiation source being movable parallel to the plane with respect to the series of recording segments; and an operation circuit connected to each of the recording segments.

Een dergelijke positieopnemer is onder meer bekend Uit US-A-4,449,179.Such a position sensor is known, inter alia, from US-A-4,449,179.

Dit betreft een capacitieve positieopnemer met een lineaire structuur, waarbij voor elk van de vaanelementen, die beweegbaar zijn uitgevoerd ten opzichte van de neutrale elektroden en de elektrodesegmenten, slechts vier elektrodesegmenten aanwezig zijn. Verder rept deze litera-tuurplaats op geen enkele wijze over de verwerkingsschake-ling die de capaciteit van elk van de elektrodesegmenten naar de neutrale elektrode kan meten, en hieruit een positie kan berekenen.This is a capacitive position sensor with a linear structure, where for each of the vane elements, which are movable with respect to the neutral electrodes and the electrode segments, only four electrode segments are present. Furthermore, this literature site does not in any way mention the processing circuit which can measure the capacitance of each of the electrode segments to the neutral electrode and calculate a position therefrom.

Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een capacitieve positieopnemer die zo nauwkeurig mogelijk de positie van de vaan ten opzichte van de elektrodesegmenten weergeeft die zo min mogelijk gevoelig is voor stochastische variaties van de capaciteitswaarden tussen de elektrodesegmenten en de neutrale elektrode en die zo min mogelijk gevoelig is voor mechanische onregelmatigheden in de positie van de vaanelementen.The object of the present invention is to provide a capacitive position sensor that accurately reflects the position of the vane relative to the electrode segments that is as sensitive as possible to stochastic variations of the capacitance values between the electrode segments and the neutral electrode and which is less susceptible to mechanical irregularities in the position of the vane elements.

Dit doel wordt bereikt, doordat de positieopnemer ten minste drie opneemsegmenten omvat; de bewerkingsschakeling is ingericht voor het bepalen welk van de ten minste drie opneemsegmenten het sterkst beïnvloed is door de van de stralingsbron afkomstige elektromagnetische straling; en de bewerkingsschakeling is ingericht voor het uit de stra lingsintensiteit van de opneemsegmenten die naburig zijn aan het opneemsegment dat het sterkst door de van de stralingsbron afkomstige elektromagnetische straling is beïnvloed, bepalen van de positie van de stralingsbron.This object is achieved in that the position sensor comprises at least three pick-up segments; the processing circuit is arranged to determine which of the at least three pick-up segments is most strongly affected by the electromagnetic radiation from the radiation source; and the processing circuit is arranged to determine the position of the radiation source from the radiation intensity of the pick-up segments adjacent to the pick-up segment that is most strongly affected by the electromagnetic radiation from the radiation source.

De capaciteitswaarden van de twee paar betreffende elektrodesegmenten leveren een relatief grote hoeveelheid informatie omtrent de positie van de vaan, zodat het gebruik van de desbetreffende waarden leidt tot een grotere nauwkeurigheid. Hierbij zij opgemerkt dat door toepassing van de symmetrie als gevolg van de aan weerszijden van de meest beïnvloede capaciteit gebruikte capaciteiten stochatische variaties in de capaciteitswaarden worden geëlimineerd.The capacitance values of the two pairs of respective electrode segments provide a relatively large amount of information about the position of the vane, so that use of the respective values results in greater accuracy. It should be noted here that by applying the symmetry due to the capacities used on either side of the most affected capacitance, stochatic variations in the capacitance values are eliminated.

De onderhavige uitvinding is in eerste instantie uitgevoerd als een capacitieve verplaatsingsopnemer; het is echter mogelijk niet alleen van capacitieve eigenschappen gebruik te maken; de uitvinding is evenzeer toepasbaar bij magnetische positieopnemers, of bij door middel van licht werkende positieopnemers; de maatregelen volgens de onderhavige uitvinding zijn onafhankelijk van het toegepaste fysische principe.The present invention is initially designed as a capacitive displacement sensor; however, it is possible not only to use capacitive properties; the invention is equally applicable to magnetic position sensors or to light-acting position sensors; the measures according to the present invention are independent of the applied physical principle.

Door de maatregelen volgens de onderhavige uitvinding worden additieve fouten in de mechanische constructie en in het meetsysteem geëlimineerd; tevens worden drift- en laagfrequente ruis in het sensorelementen en het capacitieve meetsysteem geëlimineerd. Ditzelfde geldt voor multiplicatieve fouten in de mechanische opnemer en het meetsysteem. Het resultaat van het algoritme is continu tijdens het schakelen tussen twee naburige interpolatie-intervallen, zodat geen dode zones worden ontwikkeld. In het geval van een circulaire structuur wordt een sterke reductie verkregen van de invloed van scheefstand en excentriciteit.By the measures of the present invention, additive errors in the mechanical construction and in the measuring system are eliminated; drift and low-frequency noise in the sensor elements and the capacitive measuring system are also eliminated. The same applies to multiplicative errors in the mechanical sensor and the measuring system. The result of the algorithm is continuous during switching between two neighboring interpolation intervals, so that no dead zones are developed. In the case of a circular structure, a strong reduction in the influence of skew and eccentricity is obtained.

Bovendien maakt het algoritme in hoge mate gebruik van symmetrieën. Bij de meting wordt gebruik gemaakt van het tweepoortsmeetprincipe, zodat parasitaire capaciteiten geen invloed hebben op het meetsysteem.In addition, the algorithm makes extensive use of symmetries. The measurement uses the two-port measuring principle, so that parasitic capacities do not affect the measuring system.

Verdere aantrekkelijke voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding blijken uit de onderconclusies.Further attractive preferred embodiments of the invention are apparent from the subclaims.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekeningen, waarin voorstellen: figuur 1: een blokschema van een schakeling die een deel vormt van de capacitieve positieopnemer volgens de onderhavige uitvinding; figuur 2: een gedeeltelijk weggebroken perspectivisch aanzicht van het mechanische deel van de capacitieve positieopnemer volgens de onderhavige uitvinding; figuur 3: een schematisch, gedeeltelijk weggebroken perspectivisch aanzicht van een lineaire uitvoering van het mechanische deel van een capacitieve positieopnemer volgens de uitvinding; en figuur 4: een uitslag van het mechanische deel van de capacitieve positierotatieopnemer volgens de uitvinding met schematisch de daarin weergegeven transcapaciteits-dichtheidswaarde als functie van de plaats.The present invention will be elucidated hereinbelow with reference to the annexed drawings, in which: figure 1 shows a block diagram of a circuit which forms part of the capacitive position sensor according to the present invention; figure 2 is a partly broken away perspective view of the mechanical part of the capacitive position sensor according to the present invention; figure 3 is a schematic, partly broken away perspective view of a linear embodiment of the mechanical part of a capacitive position sensor according to the invention; and figure 4 shows a deflection of the mechanical part of the capacitive position rotation sensor according to the invention with schematically the transcapacity density value shown therein as a function of the location.

In figuur 1 is een capacitieve positieopnemer 1 afgebeeld die gevormd wordt door een mechanisch capacitier positieopnemerorgaan 2, waarin een aantal variabele capaciteiten is opgenomen die in figuur 1 gerepresenteerd zijn door variabele condensatoren 3.Figure 1 shows a capacitive position sensor 1 formed by a mechanical capacitive position sensor 2, which includes a number of variable capacities represented in Figure 1 by variable capacitors 3.

Elk van deze condensatoren 3 is verbonden met een demultiplexschakeling 4, terwijl de andere zijde van elk van de condensatoren 3 verbonden is met een oscillator-schakeling 5. De oscillatorschakeling 5 is door middel van een verbinding 6 met de demultiplexschakeling 4 verbonden. De uitgangsaansluiting van de oscillatorschakeling 5 is verbonden met een rekenschakeling 7. De rekenschakeling 7 is overigens ingericht voor het besturen van de multiplex-schakeling 4 door middel van de verbinding 8. De oscillatorschakeling 5 is zodanig ingericht, dat de frequentie van het uitgangssignaal van deze oscillator afhankelijk is van de waarde van de geselecteerde condensator 3, waarmee de oscillatorschakeling 5 verbonden is. Door aldus gebruik te maken van de demultiplexschakeling 4 kunnen achtereenvolgens de waarden van alle condensatoren 3 worden gemeten.Each of these capacitors 3 is connected to a demultiplexing circuit 4, while the other side of each of the capacitors 3 is connected to an oscillator circuit 5. The oscillator circuit 5 is connected to the demultiplexing circuit 4 by means of a connection 6. The output terminal of the oscillator circuit 5 is connected to a calculation circuit 7. The calculation circuit 7 is incidentally arranged to control the multiplex circuit 4 by means of the connection 8. The oscillator circuit 5 is arranged such that the frequency of the output signal of this oscillator depends on the value of the selected capacitor 3, to which the oscillator circuit 5 is connected. By thus using the demultiplexing circuit 4, the values of all capacitors 3 can be successively measured.

De in figuur 2 afgebeelde mechanische constructie 2 van de positieopnemer wordt gevormd door een huis 9, waarin twee lagers 10 zijn aangebracht. Door de lagers 10 heen strekt zich een as 11 uit. Op de as 11 is vaanwiel 12 aangebracht dat gevormd wordt door vier vaanelementen 13 die elk bevestigd zijn op een op de as 11 bevestigde bus 14 en die aan hun van de as 11 afgekeerde einden door middel van verbindingsstukken 15 onderling zijn verbonden. Bij het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is de vaan van geleidend materiaal vervaardigd; de vaan is dan ook, om deze een gedefinieerde potentiaal te geven, geaard. Deze aarding wordt bij voorkeur capacitief uitgevoerd om wrij-vingsverliezen door sleepcontacten te vermijden.The mechanical construction 2 of the position sensor shown in Figure 2 is formed by a housing 9 in which two bearings 10 are arranged. A shaft 11 extends through the bearings 10. Vane wheel 12 is provided on the shaft 11, which is formed by four vane elements 13, each of which is mounted on a sleeve 14 mounted on the shaft 11 and which are mutually connected at their ends remote from the shaft 11 by means of connecting pieces 15. In the present exemplary embodiment, the vane is made of conductive material; the vane is therefore grounded to give it a defined potential. This grounding is preferably performed capacitively to avoid friction losses from sliding contacts.

Het is overigens ook mogelijk de vanen van diëlek-trisch materiaal te vervaardigen.It is also possible to manufacture the vanes from dielectric material.

Verder is het huis 9 voorzien van een holte 16, waarin een drager 17 is aangebracht, waarop een neutrale elektrode 18 is bevestigd. De drager 17 is niet draaibaar in de holte 16 aangebracht. Aan de andere zijde van het vaanwiel 12 is een elektrodesegmentwiel 19 aangebracht dat gevormd wordt door een dragerplaat 20, waarop in totaal 24 elektrodesegmenten 21 zijn aangebracht.The housing 9 is further provided with a cavity 16, in which a carrier 17 is arranged, on which a neutral electrode 18 is mounted. The carrier 17 is not rotatably mounted in the cavity 16. An electrode segment wheel 19 is formed on the other side of the vane wheel 12 and is formed by a carrier plate 20, on which a total of 24 electrode segments 21 are arranged.

Ook het segmentwiel 19 is vast in de holte 16 bevestigd.The segment wheel 19 is also fixedly secured in the cavity 16.

Hierbij zij opgemerkt dat het aantal vaansegmenten 4 bedraagt, en elke vaansegment zich uitstrekt over een hoek van iets minder dan 45°. De tussen de vaansegmenten ingesloten ruimten bestrijken elk eveneens een hoek van iets meer dan 45°.It should be noted that the number of vane segments is 4, and each vane segment extends at an angle of slightly less than 45 °. The spaces enclosed between the vane segments also each cover an angle of just over 45 °.

De elektrodesegmenten 21 op de drager 20 strekken zich bij het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld elk uit over een hoek van bijna 15°. Dit is echter geenszins noodzakelijk; het evenzeer mogelijk de elektrodesegmenten zich over een kleinere hoek dan 15° uit te laten strekken, bijvoorbeeld bijna 7,5°.In the present exemplary embodiment, the electrode segments 21 on the support 20 each extend over an angle of almost 15 °. However, this is by no means necessary; it is equally possible to allow the electrode segments to extend over an angle of less than 15 °, for example almost 7.5 °.

Uit het onderhavige voorbeeld blijkt dat het aantal elektrodesegmenten per vaanelement zes bedraagt. Dit blijkt een goed compromis te vormen tussen nauwkeurigheid en rekentijd.The present example shows that the number of electrode segments per vane element is six. This appears to be a good compromise between accuracy and calculation time.

De vaanelementen 13 zijn van een zodanig materiaal vervaardigd, dat ter plekke van de vaan een grote mate van afscherming tussen de neutrale elektroden en de elektrodesegmenten wordt verkregen. Aldaar zal aldus de capaci-teitswaarde tussen de betreffende elektrodesegmenten en de neutrale elektroden het kleinst zijn. Door toepassing van andere materialen, bijvoorbeeld materialen met een grote diëlektrische waarde, kan het omgekeerde effect worden verkregen. Dit maakt voor de werking van de onderhavige uitvinding echter niet uit.The vane elements 13 are made of such a material that a large degree of shielding between the neutral electrodes and the electrode segments is obtained at the location of the vane. There the capacitance value between the relevant electrode segments and the neutral electrodes will thus be smallest. The reverse effect can be obtained by using other materials, for example materials with a high dielectric value. However, this does not matter for the operation of the present invention.

Figuur 3 toont een lineaire uitvoeringsvorm van een capacitief opnemerorgaan volgens de uitvinding. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een neutrale elektrode 22, en een daar tegenover geplaatste drager 23, die van isolerend materiaal vervaardigd is. Aan de binnenzijde van deze structuur zijn elektrodesegmentem aangebracht. Tussen de drager 23 en de gemeenschappelijke elektrode 22 is een vaanorgaan 24 aangebracht, waarbij op regelmatige afstanden tussen twee, zich parallel aan elkaar strekkende stroken 25, vaanelementen 26 zijn aangebracht. Tussen beide stroken 25 en de vaanelementen 26 blijven openingen 27 over, waarvan de lengte gelijk is aan de lengte van de vaanelementen. Overigens is ook bij deze configuratie sprake van 6 elektrodesegmenten per vaanelement, zoals uit figuur 3 blijkt. Het is uiteraard mogelijk andere aantallen, doch minstens drie elektrodesegmenten per vaanelement toe te passen.Figure 3 shows a linear embodiment of a capacitive sensor member according to the invention. Use is made here of a neutral electrode 22, and an opposite carrier 23, which is made of insulating material. Electrode segments are arranged on the inside of this structure. A vane member 24 is provided between the carrier 23 and the common electrode 22, vane elements 26 being provided at regular intervals between two strips 25 extending parallel to each other. Between the two strips 25 and the vane elements 26, openings 27 remain, the length of which is equal to the length of the vane elements. Incidentally, this configuration also involves 6 electrode segments per vane element, as can be seen from Figure 3. It is of course possible to use other numbers, but at least three electrode segments per vane element.

Tenslotte zal het bewerkingsalgoritme dat in de bewerkingsschakeling 7 wordt toegepast, worden toegelicht aan de hand van figuur 4.Finally, the processing algorithm used in the processing circuit 7 will be explained with reference to Figure 4.

Figuur 4 kan begrepen worden als een dwarsdoorsnede van figuur 3, of een uitslag van de situatie die afgebeeld is in figuur 2. Uitgaande van de situatie van figuur 2, is er sprake van een gemeenschappelijke elektrode 18, vaan-elementen 13 en elektrodesegmenten 21. Ter verduidelijking van de werking, zijn de elektrodesegementen aangeduid met El, E2, E3, E4, E5 en E6. Hierbij zij opgemerkt, dat de overige van eenzelfde index voorziene elektrodesegmenten met elkaar zijn doorverbonden, om de invloed van stochastische variaties in de capaciteitswaarde en ruis uit de oscillator zoveel mogelijk te elimineren.Figure 4 can be understood as a cross-section of figure 3, or a result of the situation shown in figure 2. Starting from the situation of figure 2, there is a common electrode 18, vane elements 13 and electrode segments 21. For clarification of operation, the electrode segments are labeled E1, E2, E3, E4, E5, and E6. It should be noted here that the other electrode segments provided with the same index are interconnected to eliminate the influence of stochastic variations in the capacitance value and noise from the oscillator as much as possible.

Bij rotatiesymetrische positieopnemers heeft deze maatregel bovendien het feit, dat eventuele scheefstand van de vaanelementen zoveel mogelijk wordt gecompenseerd. Bij één vaanelement leidt dit tot een vergroting van een capaciteitswaarde, en leidt bij het tegenoverliggende vaanelement leidt dit tot een hoofdzakelijk overeenkomstige verkleining van de betreffende capaciteitswaarde.In the case of rotationally symmetrical position sensors, this measure also has the fact that any tilting of the vane elements is compensated as far as possible. With one vane element this leads to an increase in a capacity value, and with the opposite vane element this leads to a substantially corresponding reduction in the relevant capacity value.

Aanvankelijk wordt door het meetsysteem vastgesteld, welke van de zes elektrodesegmenten de grootste verandering hebben ondergaan door de plaatsing van de vaanelementen; bij het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is dit het elektrodesegment E4. Met behulp hiervan kan reeds een grove schatting van de positie worden verkregen.Initially, it is determined by the measuring system which of the six electrode segments have undergone the greatest change due to the placement of the vane elements; in the present exemplary embodiment, this is the electrode segment E4. With this a rough estimate of the position can already be obtained.

Door het feit, dat zes elektrodesegmenten worden toegepast, zal het elektrodesegment drie plaatsen verder, in het onderhavige geval El het andere extreem vormen. De tussenliggende elektrodesegmenten, namelijk E5 en E6, en E2 en E3 zullen een transiënt verloop van de capaciteitswaarde naar de functie van de plaats hebben. De onderhavige uitvinding maakt gebruik van deze transiënt, door de plaats te berekenen uit de uitdrukking, waarbij de waarden van dit paar capaciteiten wordt gebruikt, namelijk het verschil tussen de som van deze paren capaciteitswaarden. Wanneer de vanen 13 in figuur 4 naar rechts bewegen, zullen de capaciteitswaarden E5 en E6 afnemen en zullen die van E2 en E3 toenemen. Door de sommen van transiënte capaciteitswaarden bij elkaar op te tellen wordt een wederom met uitmiddeling van transiënte effecten verkre gen. Verder is het mogelijk het aldus verkregen resultaat te delen door het verschil tussen de maximale en de minimale waarde van de capaciteitswaarde. Dit leidt wederom tot een eliminatie van fouten.Due to the fact that six electrode segments are used, the electrode segment will form three places further, in the present case E1 the other extreme. The intermediate electrode segments, namely E5 and E6, and E2 and E3 will have a transient variation from the capacitance value to the function of the site. The present invention takes advantage of this transient by calculating the location from the expression using the values of this pair of capacitances, namely the difference between the sum of these pairs of capacitance values. As vanes 13 in Figure 4 move to the right, capacitance values E5 and E6 will decrease and those of E2 and E3 will increase. Adding up the sums of transient capacitance values again results in the averaging of transient effects. Furthermore, it is possible to divide the result thus obtained by the difference between the maximum and the minimum value of the capacity value. This again leads to an elimination of errors.

Het volgens de uitvinding toegepaste algoritme maakt dan ook gebruik van de uitdrukking:The algorithm applied according to the invention therefore uses the expression:

oftewel de coëfficiënten (0, -1, -1, 0, I, 1)/(-2, 0, 0, 2, 0).that is, the coefficients (0, -1, -1, 0, I, 1) / (- 2, 0, 0, 2, 0).

In tabelvorm wordt ditThis is tabulated

waarbij j het rangnummer van de elektrode is, a de tellercoëfficiënt is en b de noemercoëfficiënt is. Bij bovenstaand voorbeeld geldt: a = 0.where j is the rank number of the electrode, a is the numerator coefficient and b is the denominator coefficient. In the example above, a = 0.

Het is echter mogelijk α zodanig te kiezen, dat een zo optimaal mogelijk resultaat ten aanzien van de veldaf-buiging door de vaanelementen wordt verkregen. In een meer algemene vorm, dat wil zeggen voor een willekeurig aantal elektroden, geldt:However, it is possible to choose α in such a way that the best possible result with regard to the field deflection by the vane elements is obtained. In a more general form, i.e. for any number of electrodes, the following applies:

Het zal duidelijk zijn dat eveneens gebruik kan worden gemaakt van een groter, doch even aantal elektrode-segmenten per vaanelement.It will be clear that use can also be made of a larger, but even number of electrode segments per vane element.

Claims

Position sensor operating by means of electromagnetic radiation, comprising: - a radiation source for emitting electromagnetic radiation; - a series of mutually equal in-plane recording segments which are adapted to receive radiation emitted by the radiation source, the radiation source being movable parallel to the plane with respect to the series of recording segments; and - a processing circuit connected to each of the pick-up segments, characterized in that - the position sensor comprises at least three pick-up segments; the processing circuit is arranged to determine which of the at least three pick-up segments is most strongly influenced by the electromagnetic radiation originating from the radiation source; and - the processing circuit is arranged for determining the position of the radiation source from the radiation intensity of the pick-up segments adjacent to the pick-up segment that is most strongly affected by the electromagnetic radiation originating from the radiation source.

Position sensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is formed by a radiation source stationary with respect to the series of electrode segments, which extends parallel to the series of recording segments, and one with respect to the radiation source and the recording segments, between the radiation source and the pick-up segments movable screening element.

Position sensor according to claim 1, characterized in that the radiation source is formed by a common electrode, that the pick-up segments are electrode segments, and that the processing circuit is arranged to measure the capacitance between the common electrode and each of the electrode segments .

Position sensor according to claim 2, characterized in that the stationary radiation source comprises a stationary common electrode, that the segments are electrode segments, that the shielding element is a vane influencing the capacitance between the common electrode and the electrode segments, and that the processing circuit is adapted to measure the capacitance between the common electrode and each of the electrode segments.

Capacitive position sensor according to claim 4, characterized in that the at least one vane is made of conductive material and that the vane is earthed.

Capacitive position sensor according to claim 4, characterized in that the vane is made of dielectric material.

Capacitive position sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the position sensor is a rotation sensor.

Capacitive position sensor according to any of the preceding claims, characterized in that the position of the movable element is calculated by using the expression:

Capacitive position sensor according to any of the preceding claims, characterized by four vane elements and 24 electrode segments.

Capacitive position sensor according to any one of claims 4-10, characterized in that the effective width of the vane elements is equal to the effective width of the space between the vane elements.

Capacitive position sensor according to any one of claims 2, 4-11, characterized in that the electrode segments are each connected to the processing circuit by means of a multiplex circuit.

Capacitive position sensor according to any one of claims 2, 4-12, characterized in that the electrode segments extend substantially over a complete electrode segment pitch.

Capacitive position sensor according to any one of claims 2, 4-13, characterized in that the electrode segments of the same rank number are connected to each other within a pitch of a vane element.