DE1017800B - Device for measuring changes in length - Google Patents

Description

Gerät zur Messung von Längenänderungen Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung oder Auswertung von Längen. änderungen oder anderen Meßgrößen, die sich als Längenänderungen darstellein lassen. Die Erfindung wird insbesondere im Zusammenhang mit einem Oberflächenprüfgerät beschrieben, ist jedoch nicht auf derartige Geräte beschränkt, sondern kann auch für beliebige andere Meß- odr Prüfzwecke benutzt werden, bie denen eine Längenänderung eine Kapazitätsänderung hervorruft.Apparatus for measuring changes in length The invention relates to a Device for measuring or evaluating lengths. changes or other measurands, which can be represented as changes in length. The invention is particularly described in connection with a surface testing device, but is not on such devices are limited, but can also be used for any other measuring or testing purposes are used where a change in length causes a change in capacitance.

Es ist bekannt, eine Längenänderung in eine Kapazitatsänderung umzuwandeln, indem die Belegung eines Kondensatorelementes durch die Längenänderung verschoben und dadurch die Kapazität verändert wird. Die Meßgenauigkeit derartiger Anordnungen ist jedoch für viele Fälle nicht ausreichend, und die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Stablilitä und Empfindlichkeit des Elementes zu verbessern. It is known to convert a change in length into a change in capacity, by shifting the occupancy of a capacitor element due to the change in length and thereby the capacity is changed. The measurement accuracy of such arrangements however, it is insufficient in many cases, and the invention therefore arises the task of improving the stability and sensitivity of the element.

Es ist bekannt, zum Zwecke der Steigerung der Stablilität Kompensatinosverfahren zu verwenden. It is known that Kompensatinosverfahren for the purpose of increasing the stability to use.

Diese anordnungen benutzenüblicherweise hierzu ein elektrodynamisches System. Ein so, loches System besteht aus einer Spule, einem beweglichen Anker und einer Feder. Durch BEaufschlagen der Spule mit einem Strom ändert der Anker seine Lage relativ zum Spulensystem. Diese lagenänderung kann zur Verstellung der Kapzaität ausgenutzt werden. Anordnungen dieser Art haben m wesentlichen drei Nachteile, die gemäß der Erfindung vermieden werden.These arrangements usually use an electrodynamic one for this purpose System. Such a holed system consists of a coil, a movable armature and a feather. When a current is applied to the coil, the armature changes its position Position relative to the coil system. This change in position can be used to adjust the capacitance be exploited. Arrangements of this type have three main drawbacks be avoided according to the invention.

1. Durch den unvermeidlichen Ohmschen Widerstand der Spulenwicklung läßt sich eine Erwärmung des Kompensationssystems beim Fließen eines Kompensationsstromes nicht vermeiden. Diese Erwärmung bedingt stets eine gewisse Verformung des Meßsystems, wodurch, insbesondere bei Präzisionsmessungen, leicht meßfehler entstehen. 1. Due to the inevitable ohmic resistance of the coil winding the compensation system can be heated when a compensation current flows do not avoid. This heating always causes a certain deformation of the measuring system, whereby, especially with precision measurements, measurement errors easily arise.

2. Das Kompensationssystem besteht aus einer Masse und eienr Feder und ist daher schwingungsfähig. Die Größe der Masse bedingt eine obere Grenzfrequenz, bei der die Anordnung noch einwandfrei arbeiten kann. Man kann zwar durch Erhöhen der Federkonstanten diese Grenzfrequenz nach oben schieben, jedoch steigt dann die Leistungsaufnahme des Systems Damit steigt aber auch der erforderlichte Aufwand für den Verstärker und zum Zweiten die Erwärmung des Systems. 2. The compensation system consists of a mass and a spring and is therefore capable of oscillation. The size of the mass requires an upper limit frequency, in which the arrangement can still work properly. You can by increasing it of the spring constant push this cut-off frequency upwards, but then the System power consumption This also increases the effort required for the amplifier and, secondly, the heating of the system.

3. Diese Systeme haben stets nach unten beschränkt Abmessungen und sind mechanisch, insbesondere wenn ein gedrängter Aufbau notwendig ist, nicht einfach aufzubauen und damit teuer. 3. These systems have always been limited in dimensions and down are mechanically not easy, especially when a compact structure is necessary to be built up and therefore expensive.

Gemäß der Erfindung wird die Kapazität eines durch die Längenänderungen beeinflußten, ein piezoelektrisches Element enthaltenden Meßelementes durch die Meßgröße geändert und die Kapazitätsänderung durch eine dem piezoelektrischen Element zugeführte Gegenspannung kompensiert, wobei die Gegenspannung als Maß für die Längenänderung benutzt wird. According to the invention, the capacity is one by the changes in length influenced, a piezoelectric element containing measuring element by the Measured variable changed and the change in capacitance through a piezoelectric element supplied counter-voltage compensated, with the counter-voltage as a measure of the change in length is used.

Diese Anordnung vermeidet die oben angeführten Nachteile seither üblicher Kompensationse inrichtungen. Da die Steuerung des Piezosystems nahezu leistungslos erfolgt, tritt eine Erwärmung nur in sehr unwsentlichem Maße auf. Durch die außerordentlich kleine Masse des Piezosystems, verbunden mit der Wahl geeigneten Materials lassen sich bequem hlolhe Grenzfrequenzen erreichen. Die Abmessungen können sehr klein gehalten werden, ohne zu mechanischen Schwierigkeiten zu führen. This arrangement avoids the disadvantages mentioned above since then usual compensation facilities. Since the control of the piezo system is almost powerless occurs, heating occurs only to a very unlikely degree. By the extraordinarily small mass of the piezo system, combined with the choice of suitable material easily reach high limit frequencies. The dimensions can be very small be held without leading to mechanical difficulties.

Die erfindungsgemäße Methode zeigt auch gegenüber den bekannten Verfharen, bei dene eine Langenänderung aus der bei der Verformung eines Piezokristalls an diesem auftretenden Spannung direkt, gemessen wird, wesentliche Vorteile. Einmal ist bei soldhen Anordnungen durch den unvermiedlichen endlichen Eingangswiderstand der nachfolgenden Verstärkerstufe und der oftmals vorhandenen inneren Leitfähigkeit des Piezoelementes die Spannung am Verstärkeringang nicht unabhängig von der Frequnez der Auslenkung, zum anderen sit eine hohe Konstanz des nachfolgenden Verstärkers für genaue Messungen erforderlich. Die letzte Forderung tritt bei der erfindungsgemäßen anordnung nicht auf; bei geeigneter Dimensionierung können ferner Störungen durch die Leitfähigkeit des Kristallelementes vermieden werden. The method according to the invention also shows, compared with the known processes, a change in length resulting from the deformation of a piezo crystal This occurring voltage is measured directly, significant advantages. Once is due to the inevitable finite input resistance in such arrangements the subsequent amplifier stage and the internal conductivity that is often present of the piezo element, the voltage at the amplifier ring is not independent of the frequency the deflection, on the other hand, there is a high degree of constancy of the subsequent amplifier required for accurate measurements. The last requirement arises in the case of the invention arrangement not on; If dimensioned appropriately, interference can also occur the conductivity of the crystal element can be avoided.

Eine Beschränkung der Frequenzgrenze nach unten, wie bei allen direkten Piezomessungen, ist bei der erfindungsgemäßen anordnung nicht vorhanden.A downward restriction of the frequency limit, as with all direct ones Piezo measurements are not present in the arrangement according to the invention.

Das Meßelement enthält z. B. ein Fühlelement. das getrennt von dem piezoelektrischen Element beweglich angeordnet ist. Das piezoelektrische Element kann blatt- oder stabförmig ausgebildet sein und parallel zu dem Fühlelement liegend eingespannt sein. Das piezoelektrische Element kann z. B. in an sich bekannter Weise aus zwei miteinander vereinigten Kristallschichten entgegengesetzter Längenänderung bestehen. Ein oder mehrere piezoelektrische Elemente können zwischen oder in Verbindung mit ein oder mehreren Fühlelementen angeordnet sein. Das piezoelektrische Element kann auch als Dickenschwinger in Verbindung mit entsprechenden Elektroden ausgebildet sein. The measuring element contains z. B. a sensing element. that separate from that piezoelectric element is movably arranged. The piezoelectric element can be sheet or rod-shaped and parallel to the The sensing element must be clamped in a lying position. The piezoelectric element can, for. Am In a known manner from two oppositely united crystal layers Change in length exist. One or more piezoelectric elements can be between or be arranged in connection with one or more sensing elements. The piezoelectric Element can also be used as a thickness oscillator in connection with appropriate electrodes be trained.

Ein solcher Aufbau läßt sich noch weiter vereinfachen. Wird ein piezoelektrisches Biegeelement deformiert, so ändert sich seine Eigenkapazität. Diese Eigenkapazität läßt sich durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden wieder auf den Ausgangswert bringen. Diese Kapazitätskompensation tritt auf, ohne daß sich die Auslenkung des Piezoelementes ändert. Such a structure can be further simplified. Will be a piezoelectric If the bending element is deformed, its own capacitance changes. This self-capacity can be restored to the initial value by applying a voltage to the electrodes bring. This capacity compensation occurs without the deflection of the Piezo element changes.

Die beim Anlegen der Spannung auftretenden zusätzlichen Kräfte sind so klein, daß sie nicht störend in Erscheinung treten. Es ist also möglich, die durch die Längenänderung hervorgerufene Kapazitätsänderung des piezoleketrichen Elementes zu messen und die Meßspannung zur Kompensation heranzuziehen. Auch hier ist die Gegen- oder Nachsteuerspann.ung ein Maß für die Längenänderung.The additional forces that occur when the voltage is applied are so small that they do not appear disturbing. So it is possible that Change in capacitance of the piezolecetrich caused by the change in length Measure the element and use the measuring voltage for compensation. Here too the counter or readjustment voltage is a measure of the change in length.

Zur Erzielung eines möglichst einfachen Aufbaus kann das kapazitive Meßelement als Kondensator eines Schwingkreises in Rückkopplungsschaltung angeordnet sein. Die Gegenspannung wird dabei z. B. am Ausgang eines Verstärkers abgenommen. To achieve the simplest possible structure, the capacitive Measuring element arranged as a capacitor of an oscillating circuit in a feedback circuit be. The counter voltage is z. B. removed at the output of an amplifier.

An Stelle der direkten nachsteuerung des piezoelektrischen Elementes durch die Ausgangsspannung des Verstärkers kann diese Ausgangsspannung auch zum antrieb eines mechanisch betätigten Potentiomenters herangezogen werden, von dem aus die Gegenspannung dem piezoelektrischen Element zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, daß die Nachsteuerungsspannung symmetrisch gegen Null ausgebildet werden kann. Die Schleiferbewegung des Potentiometers kann dazu benutzt werden, den Meßvorgang aufzuzeidhnen. Weiterhin kann man von der Achse des Potentiometers oder von dem Potentiometer selbst ein oder mehrere Kenngrößen des Meßvorganges ableiten. Instead of the direct adjustment of the piezoelectric element through the output voltage of the amplifier, this output voltage can also be used drive of a mechanically operated potentiometer can be used, of which from the counter voltage is supplied to the piezoelectric element. This has the Advantage that the readjustment voltage are symmetrical towards zero can. The wiper movement of the potentiometer can be used to control the measuring process to show off. You can also use the axis of the potentiometer or the Potentiometer itself derive one or more parameters of the measuring process.

Als Anzeigergröße kann hier die Stellung des Potentiometerabgriffs dienen. Bei Anwendung einer nichtlinearen Potentiometerkennlinie ITat man die Möglichkeit, die Anzeiigegröße in einen definierten, z. B. quadratischen oder logarithmischen Zusammenhang mit der Meßgröße zu bringen. The position of the potentiometer tap can be used as an indicator to serve. When using a non-linear potentiometer characteristic IT one has the option of the display size in a defined, z. B. quadratic or logarithmic To bring connection with the measurand.

Weitere Einzelheiten des Erfindungssgegenstandes gehen aus der Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen hervor, die in der Zeichnung dargestellt sind. Further details of the subject matter of the invention can be found in the description of exemplary embodiments shown in the drawing.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze des Meßelementes und der nachfolgenden Schaltung; Fg. 2 zeigt eine andere Ausführung des meßelementes, Fig. 3 eine Verwendung des Meßelementes in einer Rückkopplungsschlatung, und Fig. 4 zeigt eine Ableitung der Gegenspannung von einem mechanisch betätigten Potentiometer. Fig. 1 shows a schematic diagram of the measuring element and the following Circuit; FIG. 2 shows another embodiment of the measuring element, FIG. 3 shows a use of the measuring element in a feedback circuit, and Fig. 4 shows a derivation the counter voltage from a mechanically operated potentiometer.

Das Meßelement der Fig. 1 enthält ein Fühlelement 1 und ein piezoelektrisches Biegeelement 2, die beide auf der rechten Seite bei 3 fest eingespannt sind. An dem Fühlelement 1 ist z. B. der Tastfühler 4 eines Oberflächenprüfgerätes befestigt. Das Fühielement 1 und das piezoelektrische Element 2 haben etwa gleiche Ausdehnung und sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Das piezoelektrische Element hat eine Metallbelegung, die mit dem metallischen Fühlelement 1 einen Kondensator bildet, dessen Kapazität durch eine Bewegung des Fûühlstiftes 4 verändert wird. An diese Kapazität ist eine Schaltung5 angeschlossen, die auf Kapazitätsänderungen anspricht und diese in Spannungsänderungen umwandelt. Diese werden in einem Verstärker 6 verstärkt und über die Leitungen 7 den Belegen des piezoelektrischen Elementes derart zugeführt, daß dieses eine Krümmung erfährt, die derjenigen des Fühlelementes 1 nahezu gleich ist, so daß die Kaplazitätsänderung zwischen dem Fühlelement 1 und dem piezoelektrischen Element 2 nahezu zu Null gemacht wird. An den AusgAng des Verstärkers ist ein anzeigeinstrument 8 angeschlossen, welches die Nacihsteuerspannung anzeigt, und diese ist ein Maß für die auslenkung des Fühlstiftes .4 Die Anzeige am Instrument 8 wird um so genauer, je kleiner die verbleibende Kapazitätsänderung zwei ; scher den Elementen 1 und 2 wird. Bei Verwendung eines Verstärkers mit hinreichend hohem Verstär kungsgrad läßt sich dieser Fehler stets vernachlassigbar klein halten. The measuring element of Fig. 1 includes a sensing element 1 and a piezoelectric Flexural element 2, both of which are firmly clamped on the right-hand side at 3. At the sensing element 1 is z. B. the probe 4 attached to a surface testing device. The guide element 1 and the piezoelectric element 2 have approximately the same extent and are preferably arranged parallel to one another. The piezoelectric element has a metal coating that, together with the metallic sensing element 1, forms a capacitor forms, the capacity of which is changed by a movement of the feeler pin 4. A circuit 5 is connected to this capacitance and is responsive to changes in capacitance responds and converts this into voltage changes. These are in an amplifier 6 amplified and via the lines 7 the occupancy of the piezoelectric element fed in such a way that it experiences a curvature that corresponds to that of the sensing element 1 is almost the same, so that the change in capacitance between the sensing element 1 and the piezoelectric element 2 is made almost zero. At the output of the A display instrument 8 is connected to the amplifier, which shows the Nacih control voltage and this is a measure of the deflection of the feeler pin. 4 The display at the instrument 8, the smaller the remaining change in capacitance, the more precise it is two ; shear to elements 1 and 2. When using an amplifier with sufficient With a high degree of amplification, this error can always be kept negligibly small.

Das Meßelement kann nach Fig. 2 auch mehrfach bzw. symmetrisch ausgebildet sein. So ist es z. B. möglich, zu beiden Seiten eines piezoelektriscben Elementes 2 zwei Fühlelemente 1 und 1' anzuordnen. According to FIG. 2, the measuring element can also have multiple or symmetrical designs be. So it is z. B. possible on both sides of a piezoelectric element 2 two sensing elements 1 and 1 'to be arranged.

Umgekehrt können auch zwei piezoelektrische Elemeute 2 und 2' zu beiden Seiten eines Fühlelementes 1' liegen. Schließlich ist es möglich, mehrere piezoe elektrische Elemente 2, 2' mit mehreren Fühlementen 1, 1', 1"zusammenzubauen und diese Anordnung nach Bedarf noch zu erweitern.Conversely, two piezoelectric elements 2 and 2 'can also be used for both Sides of a sensing element 1 'lie. Finally, it is possible to have multiple piezoe assemble electrical elements 2, 2 'with several sensing elements 1, 1', 1 "and to expand this arrangement as required.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Meßschaltung, bei dem das kapazitive Meßelement den Kondensator eines Schwingungskreises in RüclkWplungsscbaltung bildet. Die Kapazität des Meßelementes ist an eine Induktivität 9 angeschlossen, die über einen Kondensator 10 an das Gitter einer Röhre 11 gelegt ist. Im Anodenkreis dieser Röhre befindet sich eine Induktivität 12, die mit der Induktivität 9 rückgekoppelt ist. Die Anodenspannung wird an der Klemme 13 über einen Widerstand 14 zugeführt. Die Ausgangsspannung wird an der Klemme 15 abgenommen und dem Piezoelement direkt oder beispielsweise über den Verstärker 6 diesem zugeleitet. Fig. 3 shows an embodiment for the measuring circuit in which the capacitive measuring element the capacitor of an oscillating circuit in feedback circuit forms. The capacitance of the measuring element is connected to an inductance 9, which is placed on the grid of a tube 11 via a capacitor 10. In the anode circle In this tube there is an inductance 12 which is fed back to the inductance 9 is. The anode voltage is supplied to terminal 13 via a resistor 14. The output voltage is taken from terminal 15 and directly from the piezo element or fed to this via the amplifier 6, for example.

Die Schaltung ermöglicht eine außerordentlich empfindliche Längenmessung, und zwar den. Nachweis von Längen änderungen in in der Größenordnung von 0,01 µ und weniger. The circuit enables extremely sensitive length measurement, namely the. Detection of changes in length in the order of magnitude of 0.01 µ and less.

In Fig. 4 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Ausgangsspannung des Verstärkers 6 dazu benutzt wird, einen Motor 17 anzutreiben. Dieser verstellt über ein mechanisches Verbindungsglied 18 den Schiebekontakt eines Potentiometers 19, das von einer Gleichspannungsquelle 20 gespeist wird. Die abgegriffene Spannung wird über die Leitung 21 dem piezoelektrischen Element zugeführt. Diese Anordnung hat die obenerwähnten Vorteile, daß nämlidh von der Achsenbewegung des Potentiometers ein oder mehrere Kenngrößen des Meßvorganges abgeleitet werden können und daß auch ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Meßgröße und der Gegen spannung leicht hergestellt werden kann. In Fig. 4 an arrangement is shown in which the output voltage of the amplifier 6 is used to drive a motor 17. This adjusted the sliding contact of a potentiometer via a mechanical connecting member 18 19, which is fed by a DC voltage source 20. The tapped tension is fed to the piezoelectric element via the line 21. This arrangement has the advantages mentioned above, namely that of the axis movement of the potentiometer one or more parameters of the measuring process can be derived and that too a non-linear relationship between the measured variable and the counter-voltage easily can be produced.

Claims (8)

PATENTANSPROCHE 1. Gerät zur Messung oder Auswertung von Längenänderungen oder anderen Meßgrößen, die sich als Längenänderungen darstellen lassen, z. B. PATENT CLAIM 1. Device for measuring or evaluating changes in length or other measured variables that can be represented as changes in length, e.g. B. Obeflächenprüfgeräte auf kapazitiver Grundlage, dadurch gekennzeichnet, daß di Kapazität eines durch die Längenänderungen beeinflußten, ein piezoelektrisches Element enthalten den Meßellementes durch die Meßgröße geändert wird und daß die Kapazitatsänderung durch eine dem piezot elektrischen Element zugeführte Gegen spannung aufgehoben wird, wobei die Gegenspannung als Maß für die Längenänderung benutzt wird.Surface testing devices on a capacitive basis, characterized in that that the capacitance of one influenced by the changes in length, a piezoelectric Element contain the measuring element is changed by the measured variable and that the Change in capacitance due to a counter voltage supplied to the piezot electrical element is canceled, the counter-tension being used as a measure of the change in length will. 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennziechnet, daß eine Fühlelektrode getrennt beweglich gegenüber dem piezoelektrischen Element angeordnet ist. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that a sensing electrode is arranged separately movable relative to the piezoelectric element. 3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Fühlelement als auch das piezoelektrische Element vorzngsweise parallel zueinander liegend einseitig ein, gespannt ist. 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that both the The sensing element and the piezoelectric element are preferably parallel to one another lying on one side, is stretched. 4. Gerät nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere piezoelektrische Elemente gegenüber mehreren als Fühlement dienenden Blättchen angeordnet sind. 4. Apparatus according to claims 2 and 3, characterized in that several Piezoelectric elements arranged opposite several small leaves serving as a sensing element are. 5. Gerät nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement als Kondensator eines 5 dhwingkreises in R2ckkopplungsschaltung angeordnet ist. 5. Apparatus according to claims 1 to 4, characterized in that the Measuring element arranged as a capacitor of a resonant circuit in a feedback circuit is. 6. Gerät nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannung über ein mechanisch nachgesteuertes Potentiometer dem piezoelektrischen Element zugeführt wird. 6. Apparatus according to claims 1 to 5, characterized in that the Counter voltage via a mechanically adjusted potentiometer to the piezoelectric Element is fed. 7. Gerät nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß von der Potentiometerachse aus ein oder mehrere Kenngrößen des Meßvorganges auf mechanischem oder elektrischem Wege zur Anzeige gebracht werden. 7. Apparatus according to claims 1 to 6, characterized in that of the potentiometer axis from one or more parameters of the measuring process on mechanical or by electrical means to be displayed. 8. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung eines Potentiometers mit nichtlinearer Kennlinie ein definierter nichtlinearer Zusammenhang zwischen Meßgröße und Anzeigegrößen hergestellt wird. 8. Apparatus according to claim 6, characterized in that by use of a potentiometer with a non-linear characteristic curve, a defined non-linear relationship is established between the measured variable and display variables. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2 460 726, 2 397 923. References considered: U.S. Patents No. 2,460 726, 2,397,923.