NL9301674A - Capacitieve positieopnemer. - Google Patents

Description

CAPACITIEVE POSITIEOPNEMER

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.

Een dergelijke positieopnemer is onder meer bekend Uit 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Verdere aantrekkelijke voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding blijken uit de onderconclusies.

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.

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.

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.

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.

Het is overigens ook mogelijk de vanen van diëlek-trisch materiaal te vervaardigen.

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.

Ook het segmentwiel 19 is vast in de holte 16 bevestigd.

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°.

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°.

Uit het onderhavige voorbeeld blijkt dat het aantal elektrodesegmenten per vaanelement zes bedraagt. Dit blijkt een goed compromis te vormen tussen nauwkeurigheid en rekentijd.

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.

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.

Tenslotte zal het bewerkingsalgoritme dat in de bewerkingsschakeling 7 wordt toegepast, worden toegelicht aan de hand van figuur 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.

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.

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.

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.

Het volgens de uitvinding toegepaste algoritme maakt dan ook gebruik van de uitdrukking:

oftewel de coëfficiënten (0, -1, -1, 0, I, 1)/(-2, 0, 0, 2, 0).

In tabelvorm wordt dit

waarbij j het rangnummer van de elektrode is, a de tellercoëfficiënt is en b de noemercoëfficiënt is. Bij bovenstaand voorbeeld geldt: 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:

Het zal duidelijk zijn dat eveneens gebruik kan worden gemaakt van een groter, doch even aantal elektrode-segmenten per vaanelement.

Claims (14)

1. 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-kingsschakeling, met het kenmerk, dat - 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 stralingsintensiteit 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.

2. Positieopnemer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stralingsbron gevormd wordt door een ten opzichte van de reeks elektrodesegmenten stationaire stralingsbron die zich evenwijdig aan de reeks opneemsegmenten uitstrekt, en een ten opzichte van de stralingsbron en de opneemsegmenten, tussen de stralingsbron en de opneemsegmenten beweegbaar afschermelement.

3. Positieopnemer volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stralingsbron door een gemeenschappelijke elektrode wordt gevormd, dat de opneemsegmenten elektrode- segmenten zijn, en dat de bewerkingsschakeling is ingericht voor het meten van de capaciteit tussen de gemeenschappelijke elektrode en elk van de elektrodesegmenten.

4. Positieopnemer volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de stationaire stralingsbron een stationaire, gemeenschappelijke elektrode omvat, dat de segmenten elektrodesegmenten zijn, dat het afschermelement een de capaciteit tussen de gemeenschappelijke elektrode en de elektrodesegmenten beïnvloedende vaan is, en dat de bewerkingsschakeling is ingericht voor het meten van de capaciteit tussen de gemeenschappelijke elektrode en elk van de elektrodesegmenten.

5. Capacitieve positieopnemer volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de ten minste ene vaan van geleidend materiaal vervaardigd is, en dat de vaan geaard is.

6. Capacitieve positieopnemer volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de vaan van diëlektrisch materiaal vervaardigd is.

7. Capacitieve positieopnemer volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de positieopnemer een rotatieopnemer is.

8. Capacitieve positieopnemer volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de positie van het beweegbare element berekend wordt door toepassing van de uitdrukking:

9. Capacitieve positieopnemer volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de positie van het beweegbare element berekend wordt door toepassing van de uitdrukking:

10. Capacitieve positieopnemer volgens een van de voorafgaande conclusies, gekenmerkt door vier vaanelemen-ten en 24 elektrodesegmenten.

11. Capacitieve positieopnemer volgens een van de conclusies 4-10, met het kenmerk, dat de effectieve breedte van de vaanelementen gelijk is aan de effectieve breedte van de ruimte tussen de vaanelementen.

12. Capacitieve positieopnemer volgens een van de conclusies 2, 4-11, met het kenmerk, dat de elektrodesegmenten elk door middel van een multiplexschakeling met de bewerkingsschakeling zijn verbonden.

13. Capacitieve positieopnemer volgens een van de conclusies 2, 4-12, met het kenmerk, dat de elektrodesegmenten zich nagenoeg over een volledige elektrodesegment-steek uitstrekken.

14. Capacitieve positieopnemer volgens een van de conclusies 2, 4-13, met het kenmerk, dat de elektrodesegmenten met eenzelfde rangnummer binnen een steek van een vaanelement met elkaar zijn verbonden.