NL9400736A - Capacitieve sensor voor het meten van verplaatsingen. - Google Patents

Description

Capacitieve sensor voor het meten van verplaatsingen.

De uitvinding heeft betrekking op een capacitieve sensor voor het meten van een verplaatsing, zoals een translatie of rotatie, voorzien van een samenstel van ten minste twee onderling geïsoleerde en vaste elektroden, waarvan één op een stuursignaalbron aangesloten zendelektrode en een op een ingang van een meetschakeling aangesloten ontvangelektrode, en tenminste een aan de te meten verplaatsing onderworpen verdere elektrode die de sensorcapaciteit tussen de twee vaste elektroden beïnvloedt. Een dergelijke capacitieve sensor is bekend uit de praktijk.

De werking van deze bekende sensor berust op het feit dat de aan de verplaatsing onderworpen en geïsoleerd opgestelde verdere elektrode de capacitieve koppeling tussen de zend- en ontvangelektroden beïnvloedt. Dergelijke sensoren zijn geschikt voor het meten van absolute translatie of rotatie maar kennen een aantal problemen.

1. Deze sensoren zijn niet alleen gevoelig voor translatie of rotatie van de aan verplaatsing onderworpen verdere elektrode in één bedoelde richting evenwijdig aan de zend- en ontvangelektroden, maar zijn ook gevoelig voor variatie in de afstand tot het vlak waarin de zend- en ontvangelektroden zich bevinden. De sensorcapaciteit varieert namelijk ook als gevolg van bewegingen in deze parasitaire bewegingsrichting.

2. Bij bovengenoemde sensoren hebben parasitaire capaciteiten een grote invloed op de maximaal haalbare resolutie en snelheid van het gehele meetsysteem. Met name de parasitaire capaciteit van de ontvangelektrode naar aarde speelt een belangrijke rol. In de bekende uitvoeringen is de waarde van deze parasitaire capaciteit vele tientallen tot honderden malen groter dan die van de effectieve meet- of sensorcapaciteit. Hierdoor is de bandbreedte en resolutie van de bekende capacitieve sensoren sterk beperkt.

De uitvinding beoogt bovengenoemde problemen te ondervangen en een absolute capacitieve sensor aan te geven waarvan de resolutie, de nauwkeurigheid en de stabiliteit zijn vergroot, en waarmee bij een verdere uitvoering tevens een vergroting van het meetbereik kan worden verkregen.

Dit wordt bij een capacitieve sensor van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt doordat de tenminste twee vaste elektroden op een gemeenschappelijke drager zijn aangebracht, en dat de verdere elektrode met signaalaarde is verbonden en een afschermende werking heeft, waarbij deze afschermelektrode op kleine afstand boven de, de zend- en ontvangelektroden ondersteunende gemeenschappelijke drager is geplaatst dichtbij de zendelektrode en weg van de ontvangelektrode.

Bij deze uitvoering volgens de uitvinding kan de bij de bekende capacitieve sensor door de parasitaire bewegingsrichting ontstane variatie van de sensorcapaciteit worden verminderd door de aan de verplaatsing onderworpen elektrode met aarde te verbinden. Hierdoor ontstaat een af-schermende werking die evenredig is met de verplaatsing, waardoor de sensorcapaciteit evenredig is met de verplaatsing. Doordat volgens de uitvinding de afschermelektrode op kleine afstand boven de de elektroden ondersteunende gemeenschappelijke drager is geplaatst wordt de afschermende werking niet beïnvloedt door de parasitaire beweging in een richting loodrecht op het vlak waarin de zend- en ontvangelektroden zich bevinden. Hierdoor wordt de parasitaire capaciteit van de beide vaste elektroden naar aarde wel vergroot. Deze vergroting alsmede de variatie van deze parasitaire capaciteit ten gevolge van trillingen in een richting loodrecht op het vlak, waarin de zend- en ontvangelektroden zich bevinden, kunnen invloed hebben op de resolutie en de bandbreedte van de meetschakeling. Bij de uitvoering volgens de uitvinding wordt deze invloed echter tot een minimum beperkt door de parasitaire capaciteit van de ontvangelektrode naar aarde te verminderen door de aan de verplaatsing onderworpen afschermelektrode dicht bij de zendelektrode en zo ver mogelijk van de ontvangelektrode te plaatsen zonder dat hierdoor de afschermende werking wordt beïnvloed.

De bovengenoemde afschermende werking van de aan de verplaatsing onderworpen elektrode door verbinding met signaalaarde is essentieel voor de werking van de sensor. Een bewegende galvanische verbinding met een lage impedantie is moeilijk realiseerbaar. Een galvanische verbinding naar aarde kan echter achterwege blijven bijvoorbeeld bij de volgende varianten. De afschermelektrode kan capacitief met aarde worden verbonden door het vaste deel van de sensor (sensorhuis) met aarde te verbinden en de capaciteit van de afschermelektrode naar dit sensorhuis veel groter te maken dan de sensorcapaciteit. Ook kan de afschermelektrode virtueel met aarde worden verbonden in een gebalanceerde uitvoering van de sensor.

Bij een verdere uitvoering volgens de uitvinding kan de ontvang-schakeling zodanig zijn ingericht dat de ingang van deze schakeling zich gedraagt als virtuele aarde waarop tevens de offsetspanning zeer laag is. Hierdoor wordt de stroom door de parasitaire capaciteit tengevolge van variatie van de waarde van deze parasitaire capaciteit tot een minimum beperkt.

Bij nog een verdere uitvoering volgens de uitvinding kan de meet-schakeling zijn ingericht zodanig dat variatie van de parasitaire capaciteit een signaal oplevert met dezelfde frequentie als het stoorsignaal, terwijl variatie van de bedoelde sensorcapaciteit een meetsignaal oplevert in een andere frequentieband, waardoor na filtering de storende signalen kunnen worden onderdrukt.

De kleinste waarde van de verplaatsing die nog kan worden gemeten wordt bepaald door de grootte van de stoorsignalen die in het meetsysteem optreden. Hoewel filtering van deze stoorsignalen mogelijk is, heeft dit tevens een beperking van de snelheid (bandbreedte) van het meetsysteem tot gevolg. Een zo groot mogelijk dynamisch bereik van de schakeling wordt verkregen als de invloed van de stoorsignalen zo klein mogelijk wordt gemaakt zonder dat dit een beperking van de snelheid tot gevolg heeft. Stoorsignalen zijn afkomstig van de equivalente ingangsruisbronnen van de op de ontvangelektrode aangesloten versterker en van trillingen in de parasitaire bewegingsrichtingen zoals eerder genoemd. De invloed van deze stoorsignalen wordt versterkt door aanwezigheid van de parasitaire capaciteit van de ontvangelektrode naar aarde. De invloed van deze stoorsignalen wordt dus verkleind door de eerder genoemde minimalisering van de parasitaire ingangscapaciteit.

Bij bovengenoemde capacitieve sensor volgens de uitvinding is de relatieve permittiviteit van het medium waarin de sensor is opgenomen van directe invloed op de conversiefactor van de sensor. Derhalve is de nauwkeurigheid van deze sensor beperkt door deze genoemde invloed van de relatieve permittiviteit en de invloed hierop van o.a. temperatuur. Door nu de referentiecapaciteit van de in de ingangsversterker opgenomen integrator in hetzelfde medium onder te brengen als de sensorcapaciteit heeft variatie van de relatieve permittiviteit en de temperatuur geen invloed meer op de amplitude van het meetsignaal aan de uitgang van de integrator. Een zeer nauwkeurige meetschakeling ontstaat bij een volledig ratio-metrische detectie. Ook de invloed in variatie van de amplitude van de op de zendelektrode aangesloten periodieke spanning is hierin dan volledig geëlimineerd.

Bij bovengenoemde sensor volgens de uitvinding is in eerste aanleg het meetbereik in principe maximaal gelijk aan de lengte van de aan de verplaatsing onderworpen elektrode. Dit zou betekenen dat voor grote meetbereiken een grote lengte van de afschermelektrode vereist is en dit houdt tevens in dat voor meting van de rotatie het meetbereik beperkt is tot maximaal l80°. Deze beperking kon worden opgeheven door de sensor volgens de uitvinding te segmenteren en een vergelijkingsschakeling op te nemen die bepaalt op welke segmenten van de sensor de afscherming zich bevindt. Elk segment kan op zich volledig ratiometrisch zijn uitgevoerd en de zendelektrode kan gemeenschappelijk zijn voor alle segmenten.

De uitvinding zal aan de hand van enkele uitvoeringsvormen nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: figuur la en lb resp. een schematisch bovenaanzicht en zijaanzicht tonen van een bekende capacitieve sensor; figuur 2 een vervangingsschema geeft van de sensor van fig. 1; figuur 3 een schematisch zijaanzicht toont van een eerste uitvoeringsvorm van de sensor volgens de uitvinding; figuur 4 een verdere uitvoeringsvorm toont van de sensor volgens de uitvinding; figuur 5 n°g een verdere uitvoeringsvorm toont van de sensor volgens de uitvinding; figuur 6 een algemeen schema toont van een op de capacitieve sensor aangesloten meetschakeling volgens de uitvinding; figuur 7 weer een verdere uitvoeringsvorm toont van een sensor volgens de uitvinding voor meting van rotatie; figuur 8a en 8b een uitvoeringsvorm tonen van de sensor volgens de uitvinding voor meting van rotatie c.q. hoekverplaatsing; figuur 9 de capaciteit toont van de cirkelsegmenten van de sensor van fig. 7 als functie van de rotatie; en figuur 10 toont de opbouw van de bij de sensor volgens figuur 8 behorende meetschakeling.

Fig. 1 toont in bovenaanzicht en in zijaanzicht schetsmatig de bekende capacitieve sensor. Met 1 en 3 zijn twee onderling geïsoleerde en vaste elektroden aangegeven, waarvan 1 een op een stuursignaalbron aangesloten zendelektrode en 3 een op een ingang van een meetschakeling aangesloten ontvangelektrode kan zijn. Met 2 is een aan de verplaatsing onderworpen geïsoleerde koppelelektrode boven de beide zend- en ontvangelek-troden en met 4 is een vaste afschermelektrode onder de beide eerstgenoemde elektroden aangegeven. Deze met signaalaarde verbonden elektrode 4 zorgt enerzijds voor elektrische afscherming van de strooivelden en anderzijds voor afscherming van de actieve elektroden 1 en 3 zodat zij via deze onderzijde geen capaciteit met elkaar vormen. De aan de bovenzijde van de vaste elektroden 1 en 3 aangebrachte elektrode 2 vormt een translatie- of rotatie afhankelijke bedekking van de eerder genoemde elektroden uit de sensor en is gekoppeld aan een van het toepassingsgebied af- hankelijk orgaan dat een te meten translatie of rotatie ondergaat.

De beide actieve elektroden, namelijk de met de stuurbron verbonden zendelektrode 1 en de ontvangelektrode 3 vormen een capaciteit Cs door het medium boven deze elektroden:

Cs = (eoer£/K)ln{(a+b)2/a(a+2b)}.

Hierin is £ de gemeenschappelijke lengte van de niet-afgeschermde delen van de actieve elektroden, €0€r de permittiviteit van het medium boven de elektroden, a de afstand tussen de actieve elektroden en b de breedte van elk van de actieve elektroden. De met signaalaarde verbonden elektrode 4 aan de onderzijde alsmede de met signaalaarde verbonden verplaatsbare elektrode 2 aan de bovenzijde vormen een effectieve afscherming van de actieve elektroden zo lang de afstand van de beide genoemde geleiders 2 en 4 tot de actieve elektroden 1, 3 veel kleiner is dan (a+b).

In fig. 2 is een vervangingsschema van de sensor uit fig. 1 aangegeven, waarin de aanwezige en storende parasitaire capaciteiten Cpx van de zendelektrode en Cp2 van de ontvangelektrode zijn aangegeven. Met name de laatste aan de ingang van de meetschakeling is de storende en ruis versterkende parasitaire capaciteit.

In fig. 3 is een uitvoeringsvorm van de capacitieve sensor volgens de uitvinding aangegeven. De zendelektrode 1 is aangesloten op een periodieke spanning van een signaalbron met zeer lage inwendige impedantie, en de ontvangelektrode 3 is aangesloten op een integratorschakeling met zeer lage ingangsoffsettspanning. De amplitude van het meetsignaal aan de uitgang van de integrator is evenredig met de sensorcapaciteit Cs en dus met de verplaatsing. Na demodulatie resteert alleen het gewenste ver-plaatsingssignaal. Doordat de afschermelektrode 2 dicht bij de zendelektrode 1 en zo ver mogelijk weg van de ontvangelektrode 3 is geplaatst wordt een aanzienlijke reductie van de parasitaire capaciteit Cp2 verkregen. Hierdoor zal de spanning daarover, d.w.z. de offsetspanning aan de ingang van de schakeling, klein blijven en zal variatie van de parasitaire capaciteit, die ontstaat door trilling en verplaatsing of in het algemeen door microfonie, een minimale invloed hebben op de uitgangsspanning van de meetschakeling. Door deze aanzienlijke reductie van de parasitaire ingangscapaciteit wordt derhalve een grotere resolutie en snelheid van de meting gerealiseerd bij een gelijk of kleiner energieverbruik van de elektronika, d.w.z. grotere bandbreedte en lagere ruis.

In figuur 4 is een verdere uitvoeringsvorm aangegeven in een gebalanceerde opstelling van beide samenstellen van elektroden aan de ingangs- en uitgangszijde. Door de twee zendelektroden aan te sturen met twee 1800 uit fase verschoven signalen en de beide stromen van de ont-vangelektroden af te trekken is een verbinding tussen de bewegende afschermende elektrode en signaalaarde niet meer nodig daar de afscherm-elektrode nu virtueel geaard is. Deze sensor wordt gebruikt voor het meten van hoekverplaatsing.

In fig. 5 is weer een andere ongebalanceerde uitvoeringsvorm aangegeven waarin de nauwkeurigheid van het meetsysteem verbeterd is door de bij de referentiecapaciteit van de ingangsintegrator van de meetschake-ling behorende elektroden in hetzelfde medium te plaatsen als dat van de te meten sensorcapaciteit Cs. Hierdoor wordt voor elke capaciteit dezelfde permittiviteit gerealiseerd en wordt een volledige compensatie voor variatie van de waarde daarvan verkregen. Een dergelijke ratiometrische uitvoering verhoogt de nauwkeurigheid van het systeem. Het spreekt vanzelf dat ook gebalanceerde uitvoeringsvormen van dit principe mogelijk zijn.

In figuur 6 is het algemene schema aangegeven van een enkelvoudige sensor en bijbehorende meetschakeling. Op basis van een aan de modulator 11 en demodulator 12 toegevoerde frequentiesignaal fc wordt een gemoduleerd signaal aan de zendelektrode 1 toegevoerd. Het van de ontvangelek-trode 3 afgenomen signaal, dat afhankelijk is van de variërende sensorcapaciteit Cs, wordt toegevoerd aan de ingang van de ene keten 17 van de meetschakeling. Aan de ingang hiervan is een als integrator uitgevoerde verschilversterker 13 met een referentiecapaciteit Cref. Op deze integrator volgt een banddoorlaatfilter 14 en vervolgens een detector of demodulator 12. Hierop volgt een laagdoorlaatfilter 15 met daarop een A-D omzetter 16. Parallel aan de genoemde keten 17 is een referentieketen 18 aangebracht.

Zoals eerder gesteld zou bij deze sensor volgens de uitvinding het meetbereik maximaal gelijk zijn aan de lengte van de aan de translatie of rotatie onderworpen elektrode. Dat betekent dat voor grote meetbereiken een grotere lengte van deze elektrode vereist is en impliceert dat voor het meten van rotatie het meetbereik beperkt is tot maximaal 180°. Dit is aangegeven in figuur 7 waaruit blijkt dat de aan de rotatie onderworpen en met signaalaarde verbonden afschermelektrode 2 die boven de vaste elektroden 1 en 3 beweegt, slechts een meetbereik heeft van maximaal 1800.

Door zoals gesteld de sensor te segmenteren en een vergelijkings-schakeling op te nemen die bepaalt op welke segmenten van de sensor de afscherming zich bevindt, wordt bovengenoemde beperking van het meetbe-reik opgeheven. Elk segment kan op zich ratiometrisch zijn uitgevoerd en de zendelektrode kan gemeenschappelijk zijn voor alle segmenten.

In de figuren 8a en 8b is een ui tvoeringsvoorbeeld van een sensor met gesegmenteerde elektroden voor het meten van rotatie aangegeven. Het betreft hier een ongebalanceerde uitvoeringsvorm. Figuur 8a toont een planaanzicht of lay-out van de op een gemeenschappelijke drager aangebrachte cirkelsegmentstructuren bestaande uit minimaal drie boogvormige uniplanaire capaciteiten. Deze capaciteiten Cs13a, Cs13b en Cs13c worden gevormd door één gemeenschappelijke (actieve) zendelektrode 1, verbonden met een stuurschakeling, en drie (actieve) ontvangelektroden 3a. 3b en 3c die elk zijn verbonden met een aparte meetschakeling. De drie genoemde boogsegmenten 3a, 3b en 3c vormen een cirkel. Figuur 8b toont een boven deze structuren aangebrachte en draaibare drager waarop een afschermelek-trode 2 van 180° is aangebracht die de drie gevormde capaciteiten meer of minder af schermt in afhankelijkheid van de hoek van de 180° boog ten opzichte van de drie genoemde ontvangelektroden. Er is derhalve een faseverschil tussen de door de capaciteiten als functie van de hoek afgegeven signalen. Hieruit kan de informatie omtrent de absolute hoek worden afgeleid.

In figuur 8a is verder aangegeven op welke wijze de drie ontvang-segmentelektroden 3&> 3b en 3C met de segmenten 5a, 5b en 5c daarbuiten de referentiecapaciteiten voor de meetschakeling vormen. Op deze manier wordt, zoals eerder reeds gemeld, een compensatie gerealiseerd voor variatie van de relatieve diëlektrische constante. Van de drie hele cirkel-banen 6, 7 en 8 in het midden die samen twee referentiecapaciteiten vormen, is de cirkelbaan 6 verbonden met de zendelektrode 1. De referentiecapaciteiten Cref6i7 en Cref7t8 dienen als referentie voor het opwekken van de referentiespanning voor volledige ratiometrische detectie. Zij variëren niet bij een verdraaiing van de bovenste afschermplaat.

Onder de hele cirkelbaan, de zendelektrode 1, ligt een cirkelbaan op signaalaardeniveau. Deze is wat breder dan de zendelektrode en samen met de aardvlakken naast de zendelektrode zorgt dit voor afscherming aan de onderzijde en de zijkanten.

In figuur 9 is het verloop van de waarden van de drie capaciteiten in de sensor van figuur 8 als gevolg van de rotatie van de halve cirkelbaan 2 aangegeven. Met behulp van een vergelijkschakeling kan de waarde van de hoek eenduidig worden bepaald uit de gemeten waarden voor Cs1>3a, Csli3b en Csli3c.

Figuur 10 geeft de opbouw van de totale meetschakeling voor de in figuur 8 aangegeven rotatiesensor met volledige ratiometrische detectie. Elke sensorcapaciteit wordt gevolgd door een eigen meetkanaal met versterker 23, banddoorlaatfilter 2b, detector 22, laagdoorlaatfilter 25, en A-D omzetter 26. Tevens is uitgaande van de referentiecapaciteiten Cref6i7 en Cref7ig een referentiekanaal voor volledige ratiometrische detectie toegevoegd. Op de drie A-D omzetters 26 volgt een vergelijkschakeling 27.

Claims (9)

1. Capacitieve sensor voor het meten van een verplaatsing, zoals een translatie of rotatie, voorzien van een samenstel van ten minste twee onderling geïsoleerde en vaste elektroden, waarvan één op een stuursig- · naalbron aangesloten zendelektrode en een op een ingang van een meetscha-keling aangesloten ontvangelektrode, en tenminste een aan de te meten verplaatsing onderworpen verdere elektrode die de sensorcapaciteit tussen de twee vaste elektroden beïnvloedt, met het kenmerk, dat de tenminste twee vaste elektroden op een gemeenschappelijke drager zijn aangebracht, en dat de verdere elektrode met signaalaarde is verbonden en een afschermende werking heeft, waarbij deze afschermelektrode op kleine afstand boven de de zend- en ontvangelektroden ondersteunende gemeenschappelijke drager is geplaatst dicht bij de zendelektrode en ver weg van de ontvangelektrode .

2. Capacitieve sensor volgens conclusie 1, waarin de afschermelektrode is aangebracht zodanig dat de zendelektrode, of althans een deel daarvan, ten opzichte van de ontvangelektrode wordt afgeschermd, waarbij deze afschermelektrode verplaatsbaar is in slechts één richting waardoor het genoemde deel van de afgeschermde zendelektrode in afmeting varieert en daarmee de sensorcapaciteit, en waarbij storende verplaatsingen in andere richtingen in hoofdzaak geen invloed hebben op de afschermende werking.

3· Capacitieve sensor volgens één der conclusies 1 of 2, waarin de afschermende werking van de afschermelektrode wordt verkregen doordat deze capacitief met signaalaarde is verbonden. h. Capacitieve sensor volgens één der conclusies 1 of 2, waarin de afschermende werking van de afschermelektrode wordt verkregen doordat deze virtueel met signaalaarde is verbonden.

5. Capacitieve sensor volgens één der voorgaande conclusies, waarin de meetschakeling aan de ingang een verschilversterker heeft die als integrator met referentiecapaciteit is uitgevoerd.

6. Capacitieve sensor volgens conclusie 5. waarin de referentie- capaciteit in hetzelfde medium als de sensorcapaciteit is geplaatst.

7· Capacitieve sensor volgens één der voorgaande conclusies, waarin een referentieschakeling is aangesloten op de zendelektrode met een refe-rentiecapaciteit in hetzelfde medium als de sensorcapaciteit voor het opwekken van een referentiespanning voor ratiometrische detectie.

8. Capacitieve sensor volgens conclusie 1, waarin twee samenstellen van zend- en ontvangelektroden aan weerszijden van de gemeenschappelijke afschermelektrode zijn aangebracht en waarin de zendelektroden van de beide samenstellen in tegenfase worden aangestuurd en de ontvangelektroden gebalanceerd zijn aangesloten.

9. Capacitief sensorsysteem voorzien van meerdere samenstellen van onderling geïsoleerde zend- en ontvangelektroden volgens conclusie 1, waarin de afschermelektrode voor de genoemde samenstellen gemeenschappelijk is uitgevoerd, en waarin de samenstellen in de richting van de genoemde verplaatsing naast elkaar zijn aangebracht en de afschermelektrode in deze richting achtereenvolgens aan de genoemde verplaatsing onderworpen is.

10. Capacitief sensorsysteem volgens conclusie 9. waarin de zendelektroden van de samenstellen als één geheel volgens de genoemde ver-plaatsingsrichting zijn uitgevoerd.