DE112010003273B4

DE112010003273B4 - Eine Vorrichtung und ein Verfahren für kapazitive lineare Verlagerungsmessung

Info

Publication number: DE112010003273B4
Application number: DE112010003273.4T
Authority: DE
Inventors: Dr. Zhao Hui DU; Yi Rong YANG; Yan Ling LIN
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2030-08-13
Also published as: CN101995208B; WO2011018497A1; CN101995208A; DE112010003273T5

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren für kapazitive lineare Verlagerungsmessung, wobei die Streifenelektroden auf der Basis in einer Reihe äquidistant angeordnet sind, und jeweils N aufeinanderfolgende Streifenelektroden eine räumliche Periode bilden, und eine erste Gruppe von Signalleitungen von N Signalleitungen gebildet wird, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist; wobei in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung die N Signalleitungen der ersten Gruppe von Signalleitungen in einer Signalgenerierungsperiode der Reihe nach mit Anregungssignalen geladen werden; wobei die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode und der ersten Gruppe von Signalleitungen bewirkt, dass alle Kombinationen von Anregungssignalen, die an allen Verlagerungspositionen durch die Leseeinheit in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung detektiert werden, voneinander verschieden sind; wobei sich die Leseeinheit entlang den Streifenelektroden bewegt und die Signalkombinationen ausgibt, die an den Streifenelektroden, die sie abdeckt, detektiert werden und den der Signalkombination entsprechenden Wert der absoluten Verlagerung an die Verlagerungsbestimmungseinheit übergibt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine einfachere und kostensparende absolute Verlagerungsmessung und bietet eine hohe Störsicherheit.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technologie der Verlagerungsmessung und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für kapazitive lineare Verlagerungsmessung.
Technischer Hintergrund
Die bestehenden Verfahren für kapazitive lineare Verlagerungsmessung können im Wesentlichen unterteilt werden in inkrementelle Verlagerungsmessung und absolute Verlagerungsmessung. Wegen ihrer niedrigen Kosten, der einfachen Vorgehensweise und der hohen Messgenauigkeit wird bisher weitgehend die inkrementelle Verlagerungsmessung eingesetzt; inkrementelle Verlagerungsmessung kann jedoch nur die relative Verlagerung bestimmen, und wenn es erforderlich ist, die absolute Verlagerung zu bestimmen, muss beim Einschalten der absolute Bezugspunkt gefunden werden, wobei der Vorgang des Findens des absoluten Bezugspunktes häufig das Bewegen der Leseeinheit erfordert, so dass sie den Ort des Bezugspunktes durchläuft und die Information über den Ort aufzeichnet. Ein solcher Vorgang ist zeitaufwändig, und in manchen Fällen ist es nicht erlaubt, die Leseeinheit zu bewegen. Die absolute Verlagerungsmessung kann so durchgeführt werden, dass sie den Wert der absoluten Verlagerung direkt findet, ohne dass sie den Bezugspunkt finden muss, aber die Technik ist kompliziert und bietet eine geringe Messgenauigkeit.
Zunächst werden die Prinzipien der inkrementellen Verlagerungsmessung und der absoluten Verlagerungsmessung kurz beschrieben. Die Vorrichtungen zur Verlagerungsmessung für beide Vorgehensweisen enthalten eine Verlagerungsskalierungseinheit und eine Leseeinheit.
Die Verlagerungsskalierungseinheit in der inkrementellen Verlagerungsmessung enthält Streifenelektroden, die gleichmäßig angeordnet sind und gleiche Form, Größe und elektrische Leitfähigkeit besitzen, d. h., sie müssen gleich sein. Die Breite und der Abstand der Streifenelektroden sind gleich, um die Skala der Verlagerung zu markieren. Eine räumliche Periode ist durch eine feste Anzahl N festgelegt, und jeweils N aufeinanderfolgende Streifenelektroden sind als räumliche Periode festgelegt, und jede Streifenelektrode wird mit Signalen mit einer festen Phasendifferenz innerhalb der räumlichen Periode geladen. Die Leseeinheit und die Streifenelektroden, die sie abdeckt, bilden eine Kapazität, die die Signale, die in die Streifenelektroden geladen werden, erfassen kann; die Verlagerung der Leseeinheit relativ zum Bezugspunkt moduliert die Signale der Streifenelektroden, die von der Leseeinheit abgedeckt werden, und bewirkt dadurch die Veränderungen in der Phase der erfassten Signale. Indem die zugehörige Beziehung zwischen der relativen Verlagerung und der Phase des gelesenen Signals benutzt wird, ist es möglich, die Information über die relative Verlagerung dadurch zu erhalten, dass die Phasenwerte der ausgegebenen Signale bestimmt werden.
Die absolute Verlagerung erfordert, dass die Signale, die von der Leseeinheit an jeder Verlagerungs-Position gelesen werden, voneinander verschieden sein sollten, d. h. sie erfordert, dass jede Skala unterscheidbar sein sollte.
Derzeit ist das Verfahren der inkrementellen Verlagerungsmessung eine etablierte Technologie, die weitgehend eingesetzt wird, die Technologie der absoluten Verlagerungsmessung ist jedoch noch im Stadium der Entwicklung, und es gibt im Stand der Technik hauptsächlich die beiden folgenden Verfahren der absoluten Verlagerungsmessung:
Das erste Verfahren: Inkrementelle Verlagerungsmessung und absolute Verlagerungsmessung auf gleichmäßig verteilten Elektroden werden mit Hilfe des räumlichen Multiplexens erreicht. In dieser Vorgehensweise wird jede Elektrode in einer Folge von gleichmäßig verteilten Elektroden in der Verlagerungsskalierungseinheit in einen oberen und einen unteren Teil zerschnitten. Für eine ungerade Anzahl von Streifenelektroden folgen die Schnittpositionen der periodischen Sinuskurve und für eine gerade Anzahl von Streifenelektroden folgen die Schnittpositionen der periodischen Cosinuskurve. Bei der inkrementellen Verlagerungsmessung wird sowohl in den oberen Teil als auch in den unteren Teil jeder Elektrode das gleiche Signal geladen und wenn die Schnittspalte klein genug ist, kann jede Elektrode als inkrementelle Mess-Skala betrachtet werden. Bei der absoluten Verlagerungsmessung werden sowohl in den oberen als auch in den unteren Teil jeder Elektrode Signale mit entgegengesetzter Phase geladen, die Signale, die von der Leseeinheit mit einer bestimmten Verlagerung erfasst werden, sind abhängig von der Flächendifferenz zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil jeder von der Leseeinheit abgedeckten Elektrode, was zu Unterschieden in den Phasenwerten der Signale führt, die von der Leseeinheit mit jeder Verlagerung ausgegeben werden. Indem die zugehörige Beziehung zwischen der absoluten Verlagerung und der Phase der von der Leseeinheit ausgegebenen Signale benutzt wird, ist es möglich, die Information über die absolute Verlagerung dadurch zu erhalten, dass die Phasenwerte der Ausgangs-Signale bestimmt werden.
Das zweite Verfahren: Die Verlagerungsskalierungseinheit enthält mehrere Reihen gleichmäßig verteilter und paralleler Elektroden und die Leseeinheit kann in jeder Position mehrere Reihen von Elektroden abdecken. Wenn die absolute Verlagerungsmessung durchgeführt wird, umfasst jede Reihe von Elektroden Elektrodengruppen, die sowohl mit einem positiven Signal als auch mit einem negativen Signal verbunden sind. Bei jeder Verlagerung ist die Kombination der Polung der Signale, die von den von der Leseeinheit abgedeckten Elektroden aufgezeichnet werden, unterschiedlich. Anhand der zugehörigen Beziehung zwischen der Verlagerung und der Kombination der Polung ist es möglich, die Information über die absolute Verlagerung dadurch zu erhalten, dass die Kombination der Polung bestimmt wird, die durch die gelesenen Signalen ausgegeben wird.
In der vorstehend beschriebenen ersten Vorgehensweise wird jedoch die absolute Verlagerungsmessung durchgeführt, indem die analoge Größe bestimmt wird, die leicht durch die Neigung der Leseeinheit beeinflusst wird. Da die tatsächliche Montage und die Bewegung der Leseeinheit nicht vollständig parallel zur Verlagerungsskalierungseinheit sind, variiert die gemessene absolute Verlagerung mit dem Neigungsgrad der Leseeinheit, und die Störsicherheit ist gering. Außerdem muss jede Elektrode an einer bestimmten Position zerschnitten werden, was zu einem komplizierten Produktionsverfahren und hohen Kosten führt. In der zweiten Vorgehensweise wird, da sie mehrere Reihen von Elektroden enthält, daher eine große Anzahl von Elektroden benötigt, was zu hohen Kosten und zu Schwierigkeiten bei der Verbindung jeder Elektrode mit der Signalleitung der festgelegten Polung führt.
DE 28 17 544 C2 beschreibt ein Messsystem zur Bestimmung absoluter Längen- und Winkelmessung, wobei eine Kombination unterschiedlicher Messmethoden zum Einsatz kommt.
WO 00/63 653 A2 beschreibt eine kapazitive Messanordnung. Zur Bestimmung der Position wird eine Kapazität zwischen einer Elektrode eines beweglichen Teils und einer Elektrode eines festen Teils ermittelt.
EP 0 635 700 A1 beschreibt weiter eine Methode und eine Vorrichtung, um absolute Winkelpositionen und Längspositionen in digitale Informationen umzuwandeln.
WO 2006/002 311 A2 beschreibt ebenfalls eine kapazitive Messanordnung, wobei mittels Signalen, mit denen Elektroden periodisch beaufschlagt werden, die Position einer beweglichen Einheit bestimmt werden kann.
Im Hinblick darauf ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die kapazitive lineare Verlagerungsmessung zu schaffen, um eine einfachere absolute Verlagerungsmessung zu ermöglichen, die kostengünstig ist und eine hohe Störsicherheit bietet.
Eine Vorrichtung für kapazitive lineare Verlagerungsmessung, die Folgendes umfasst: eine Verlagerungsskalierungseinheit, eine Leseeinheit und eine Verlagerungsbestimmungseinheit;
wobei die Verlagerungsskalierungseinheit eine Basis, M identische Streifenelektroden und eine erste Gruppe von Signalleitungen umfasst, wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 4 ist; die M Streifenelektroden auf der Basis in einer Reihe äquidistant angeordnet sind und jeweils N aufeinanderfolgende Streifenelektroden eine räumliche Periode bilden; wobei die erste Gruppe von Signalleitungen N Signalleitungen umfasst, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist; wobei in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung in die N Signalleitungen der ersten Gruppe von Signalleitungen in einer Signalgenerierungs-Periode der Reihe nach Anregungssignale geladen werden; wobei die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode und der ersten Gruppe von Signalleitungen bewirkt, dass sich alle Kombinationen von Anregungssignalen, die bei jeder Verlagerung durch die Leseeinheit in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung detektiert werden, voneinander unterscheiden;
wobei die Leseeinheit so verwendet wird, dass sie sich entlang der M Streifenelektroden bewegt und in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung R Streifenelektroden abdeckt, wobei sie die Anregungssignale detektiert, die in die Streifenelektroden, die sie abdeckt, geladen werden, und die detektierten Signalkombinationen ausgibt, wobei R eine ganze Zahl größer oder gleich N ist;
wobei die Verlagerungsbestimmungseinheit verwendet wird, um den Wert der Verlagerung, der der Signalkombination entspricht, die von der Leseeinheit in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung ausgegeben wird, gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen dem Wert der Verlagerung und der Signalkombination zu bestimmen.
Ferner umfasst die Verlagerungsskalierungseinheit eine zweite Gruppe von Signalleitungen, die weitere N Signalleitungen umfasst. In der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung werden die erste Gruppe von Signalleitungen und die zweite Gruppe von Signalleitungen mit Trägersignalen der gleichen Signalform geladen, wobei die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen in jeder Gruppe von Signalleitungen geladen werden, 360°/N beträgt; wobei die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode und der ersten Gruppe und zweiten Gruppe von Signalleitungen bewirkt, dass die Phasen der Anregungssignale, die in jeder räumlichen Periode an der gleichen Stelle der Reihenfolge in die Streifenelektroden geladen werden, in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung gleich sind;
wobei die Leseeinheit ferner genutzt wird, um in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung KN Streifenelektroden abzudecken und die detektierten Signale auszugeben, wobei K eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist;
wobei die Verlagerungsbestimmungseinheit ferner verwendet wird, um den Wert der Verlagerung entsprechend der Phase des Signals, das von der Leseeinheit in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung ausgegeben wird, gemäß der zugehörigen Beziehung zwischen der Signalphase und dem Wert der Verlagerung zu bestimmen.
Ferner umfasst die Vorrichtung: einen Signalgenerator, der verwendet wird, um in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung die Anregungssignale der Reihe nach in die N Signalleitungen der ersten Gruppe von Signalleitungen in einer Signalgenerierungs-Periode zu laden, nachdem er den Auftrag für eine Messung erhalten hat; wobei der Signalgenerator in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung, nachdem er die Aufträge für eine Messung erhalten hat, gleichzeitig die Trägersignale der gleichen Signalform in die erste Gruppe von Signalleitungen und die zweite Gruppe von Signalleitungen lädt, wobei die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen an die Signalleitungen in jeder Gruppe von Signalleitungen angelegt werden, 360°/N beträgt;
Die Vorrichtung umfasst ferner: eine Betriebsartschalteinheit, um die Leseeinheit und die Verlagerungsbestimmungseinheit gleichzeitig in die Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung oder die Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung zu schalten.
In diesem Fall umfasst die Leseeinheit: einen Aufnahmebereich für die absolute Messung und einen Aufnahmebereich für die inkrementelle Messung;
wobei der Aufnahmebereich für die absolute Messung mindestens einen rechteckigen Erfassungsbereich umfasst und insgesamt R Streifenelektroden abdeckt, um die detektierten Signalkombinationen in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung auszugeben; wobei die rechteckigen Erfassungsbereiche durch einen nichtleitenden Bereich voneinander getrennt werden;
wobei der Aufnahmebereich für die inkrementelle Messung K Erfassungsbereiche einer besonderen Form umfasst und jeder Erfassungsbereich N Streifenelektroden abdeckt, um das detektierte Signal in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung auszugeben; wobei die besonderen Formen in Längsrichtung der Streifenelektroden nicht konstante Amplituden aufweisen.
In diesem Fall umfasst die Verlagerungsbestimmungseinheit einen Decodierer und einen Tabellenprüfer;
wobei der Decodierer verwendet wird, um die Signalkombination, die von der Leseeinheit in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung ausgegeben wird, in den binären absoluten Code zu decodieren und diesen dem Tabellenprüfer zu übergeben; wobei in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung der Decoder die Phase des Signals, das von der Leseeinheit ausgegeben wird, bestimmt und sie an den Tabellenprüfer übergibt;
wobei der Tabellenprüfer verwendet wird, um den zum erhaltenen absoluten Code gehörenden Wert der Verlagerung gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen dem absoluten Code und dem Wert der Verlagerung zu bestimmen; wobei der Tabellenprüfer ferner verwendet wird, um den zur Phase des erhaltenen Signals gehörenden Wert der Verlagerung gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen der Signalphase und dem Wert der Verlagerung zu bestimmen.
Im speziellen Fall ist der Wert für das N gleich 4 und die Streifenelektroden, die in jeder räumlichen Periode an der gleichen Stelle in der Reihenfolge stehen, sind mit den Signalleitungen in der ersten Gruppe oder der zweiten Gruppe von Signalleitungen entsprechend dieser Stelle in der Reihenfolge verbunden;
wobei der Signalgenerator in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung in einer Signalgenerierungs-Periode das Anregungssignal im zeitlichen Multiplex-Verfahren der Reihe nach in die vier Signalleitungen in der ersten Gruppe von Signalleitungen lädt; und wobei in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung der Signalgenerator gleichzeitig die Trägersignale in die Signalleitungen in der ersten Gruppe von Signalleitungen und der zweiten Gruppe von Signalleitungen lädt, und wobei die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen in jeder Gruppe von Signalleitungen geladen werden, 90° beträgt.
Vorzugsweise ist das Anregungssignal ein Impulssignal.
Das Trägersignal ist ein trigonometrisches Signal oder ein Rechtecksignal.
Vorzugsweise ist die Basis eine flexible Leiterplatte, und sind die Streifenelektroden und Signalleitungen auf die Basis mit Hilfe des Rollendruck-Verfahrens aufgebracht.
Ein Verfahren für kapazitive lineare Verlagerungsmessung, das in einer Vorrichtung verwendet wird, die eine Verlagerungsskalierungseinheit, eine Leseeinheit und eine Verlagerungsbestimmungseinheit umfasst, wobei die Verlagerungsskalierungseinheit eine Basis, M identische Streifenelektroden und eine erste Gruppe von Signalleitungen umfasst, wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 4 ist; wobei die M Streifenelektroden auf der Basis in einer Reihe äquidistant angeordnet sind, und aufeinanderfolgende Streifenelektroden eine räumliche Periode aufweisen; wobei die erste Gruppe von Signalleitungen N Signalleitungen umfasst, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist; wobei in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung Anregungssignale während einer Signalgenerierungs-Periode der Reihe nach in die N Signalleitungen der ersten Gruppe von Signalleitungen geladen werden; wobei die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode und der ersten Gruppe von Signalleitungen bewirkt, dass sich alle Kombinationen von Anregungssignalen, die bei jeder Verlagerung durch die Leseeinheit in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung detektiert werden, voneinander unterscheiden; wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Die Leseeinheit bewegt sich entlang der M Streifenelektroden und gibt die detektierte Signalkombination der R Streifenelektroden aus, die in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung abgedeckt werden, wobei R eine ganze Zahl größer oder gleich N ist;
die Verlagerungsbestimmungseinheit bestimmt den Wert der Verlagerung, der der Signalkombination entspricht, die von der Leseeinheit in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung detektiert wird, gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen dem Wert der Verlagerung und der Signalkombination.
Ferner umfasst die Verlagerungsskalierungseinheit eine zweite Gruppe von Signalleitungen, die weitere N Signalleitungen umfasst; wobei in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung in die Signalleitungen in der ersten Gruppe von Signalleitungen und der zweite Gruppe von Signalleitungen gleichzeitig Trägersignale der gleichen Signalform geladen werden, und wobei die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen in jeder Gruppe von Signalleitungen geladen werden, 360°/N beträgt; wobei die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode und der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe von Signalleitungen auch bewirkt, dass in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung die Streifenelektroden, die in jeder räumlichen Periode an der gleichen Stelle in der Reihenfolge stehen, mit den gleichen Signalphasen geladen werden; wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst:
Die Leseeinheit gibt die Signale aus, die von den KN Streifenelektroden detektiert werden, die im inkrementellen Modus der Verlagerungsmessung abgedeckt werden, wobei K eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist;
die Verlagerungsmesseinheit bestimmt den Wert der Verlagerung entsprechend der Signalphase, die von der Leseeinheit in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung ausgegeben wird, gemäß der zugehörigen Beziehung zwischen der Signalphase und dem Wert der Verlagerung.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner: Bestimmen des endgültigen Wertes für die Verlagerung durch Kombinieren des Wertes der Verlagerung, der in der Betriebsart der absoluten Messung bestimmt wurde, und des Wertes der Verlagerung, der in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung bestimmt wurde, durch die Verlagerungsbestimmungseinheit.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung, dass die Leseeinheit in einer Signalperiode die Signalkombinationen der R Streifenelektroden, die in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung abgedeckt werden, ausgeben kann, indem die Anregungssignale der Reihe nach in die Streifenelektroden in jeder räumlichen Periode in einer Signalperiode geladen werden, und sie ermöglicht, die absolute Verlagerungsmessung mit nur einer Reihe von Streifenelektroden zu erhalten, indem die absolute Verlagerung der Leseeinheit mit den Signalkombinationen eindeutig identifiziert wird. Im Vergleich mit dem zweiten Verfahren des Standes der Technik, das mehrere Reihen von Streifenelektroden verwendet, reduziert die vorliegende Erfindung die Komplexität der Schaltung und den Platzbedarf und vereinfacht damit die Konstruktion der Vorrichtung außerordentlich. Im Vergleich mit dem ersten Verfahren des Standes der Technik ist die vorliegende Erfindung einfacher umzusetzen, indem sie den aufwändigen Vorgang des Zerschneidens beseitigt. Zusätzlich ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung, in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung innerhalb einer Signalperiode die Signalkombinationen zu erhalten, tatsächlich ein Verfahren der digitalen Erfassung absoluter Codes, das unempfindlich ist gegenüber dem Neigungsgrad der Leseeinheit, was im Vergleich zum ersten Verfahren aus dem Stand der Technik zu einer größeren Störsicherheit führt.
Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Strukturdiagramm der Vorrichtung, wie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen.
2 zeigt ein beispielhaftes Diagramm der Vorrichtung, wie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen.
3A ist eine schematische Zeichnung, die das Anregungssignal zeigt, das vom Signalgenerator erzeugt wird, wie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen.
3B ist eine schematische Zeichnung, die die Verlagerung des Aufnahmebereichs zeigt, wie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen.
3C zeigt die Signalformen der Signale, die von der Leseeinheit ausgegeben werden, auf Basis der 3a und 3b, wie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen.
4 ist eine schematische Zeichnung der Leiterplatte der Verlagerungsskalierungseinheit, wie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen.
Beispielhafte Ausführungsformen
Um die Zielsetzung, die technischen Lösungen und die Vorteile der vorliegenden Erfindung leichter ersichtlich zu machen, bietet das Folgende zusammen mit den Zeichnungen und bestimmten Ausführungsformen eine detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung.
Zunächst wird zum leichteren Verständnis die Vorrichtung, die die vorliegende Erfindung schafft, beschrieben. 1 zeigt ein Strukturdiagramm der Vorrichtung, wie sie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschaffen wird. Wie in 1 gezeigt ist, kann die Vorrichtung Folgendes umfassen: eine Verlagerungsskalierungseinheit 100, eine Leseeinheit 110 und eine Verlagerungsbestimmungseinheit 120.
In diesem Fall umfasst die Verlagerungsskalierungseinheit 100: eine Basis 101, M identische Streifenelektroden 102, Signalleitungen 103 und einen Signalgenerator 104, wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 4 ist.
M Streifenelektroden sind auf der Basis 101 in einer Reihe äquidistant angeordnet und die Basis besteht aus dielektrischen Materialien. Alle Streifenelektroden besitzen die gleiche Form, Größe und elektrische Leitfähigkeit.
Jeweils N aufeinanderfolgende Streifenelektroden aus den M Streifenelektroden 102 sind als räumliche Periode festgelegt, und N Signalleitungen in den Signalleitungen 103 umfassen eine erste Gruppe von Signalleitungen, z. B. die Signalleitungen oberhalb der in der Zeichnung gezeigten Streifenelektroden 102, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist.
Nachdem er den Auftrag zur Messung in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung erhalten hat, lädt der Signalgenerator 104 innerhalb einer Signalgenerierungs-Periode der Reihe nach Anregungssignale in die N Signalleitungen in der ersten Gruppe von Signalleitungen, um die Anregungssignale in jede Streifenelektrode zu laden, die mit den Signalleitungen der ersten Gruppe verbunden ist.
Die Leseeinheit 110 bewegt sich entlang der in einer Reihe angeordneten Streifenelektroden 104 und deckt in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung R Streifenelektroden ab und kann die Anregungssignale, die in die abgedeckten Streifenelektroden geladen sind, detektieren und die detektierten Signalkombinationen ausgeben; wobei R eine ganze Zahl größer oder gleich N ist; die Werte von R können entsprechend dem Messbereich der absoluten Verlagerungsmessung bestimmt werden.
Die Signalkombination in der Leseeinheit 110 kann durch einen binären Code dargestellt werden und wird später näher beschrieben.
In der Verlagerungsskalierungseinheit 100 ist jede Streifenelektrode auf eine Weise mit den Signalleitungen verbunden, die sicherstellt, dass die Signalkombinationen, die von der Leseeinheit 110 in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung detektiert werden, in jeder Verlagerungsposition verschieden sind.
Die Verlagerungsbestimmungseinheit 120 dient zur Bestimmung des Wertes der Verlagerung, der der Signalkombination entspricht, die von der Leseeinheit 110 in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung ausgegeben wird, gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen dem Wert der Verlagerung und der Signalkombination.
Ferner kann die Vorrichtung, die in der vorliegenden Erfindung geschaffen wird, zusätzlich zum Ausführen der oben beschriebenen absoluten Verlagerungsmessung auch die inkrementelle Verlagerungsmessung durchführen, wobei in diesem Fall die Signalleitung 103 2N Signalleitungen umfassen kann, und die anderen N Leitungen zur zweiten Gruppe von Signalleitungen gehören, z. B. die Signalleitungen unterhalb der in der Zeichnung gezeigten Streifenelektroden 102.
Nachdem er den Auftrag für eine Messung in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung erhalten hat, lädt der Signalgenerator 104 gleichzeitig die Trägersignale der gleichen Signalform in die beiden Gruppen von Signalleitungen, wobei die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen in jeder Gruppe von Signalleitungen geladen werden, 360°/N beträgt. In diesem Fall können die Trägersignale, die in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung geladen werden, sinusförmige Signale oder Rechtecksignale sein.
Die Leseeinheit 110 bewegt sich ebenfalls entlang der in einer Reihe angeordneten Streifenelektroden und detektiert die Signale, die in die abgedeckten Streifenelektroden geladen sind, wobei sie bei der inkrementellen Verlagerungsmessung KN Bandelelektroden abdeckt und die detektierten Signale ausgibt, wobei K eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Wenn K größer als 1 ist, kann die Signalstärke, die von der Leseeinheit 110 detektiert wird, erhöht werden, womit die Leistungsfähigkeit der Leseeinheit 110 verbessert wird.
Um zu ermöglichen, dass das Gerät gleichzeitig die inkrementelle Verlagerungsmessung durchführen kann, bewirkt die Verbindungsbeziehung zwischen jeder Streifenelektrode 102 und den Signalleitungen 103, dass die Phasen der Signale, die in die Streifenelektroden geladen werden, die an der jeweils gleichen Stelle in der Reihenfolge in jeder zeitlichen Periode stehen, bei der inkrementellen Verlagerungsmessung gleich sind.
In der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung bestimmt die Verlagerungsbestimmungseinheit 120 den Wert der Verlagerung, der der Signalphase entspricht, die von der Leseeinheit 110 ausgegeben wird, gemäß der zugehörigen Beziehung zwischen der Signal-Phase und dem Wert der Verlagerung.
Ferner umfasst die Vorrichtung: eine Betriebsartschalteinheit 130, um die Betriebsart der Messung für die Leseeinheit 110, den Signalgenerator 104 und die Verlagerungsbestimmungseinheit 120 umzuschalten, d. h. in die Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung oder die Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung zu schalten.
Die Betriebsartschalteinheit 130 kann getrennt angeordnet sein oder in Form eines Schalters vorhanden sein, der in der Verlagerungsskalierungseinheit 100 angeordnet ist. In 2 ist er in der Verlagerungsskalierungseinheit 100 angeordnet.
Es ist zu beachten, dass der Signalgenerator 104 der oben beschriebenen Vorrichtung sowohl in der Vorrichtung zur kapazitiven linearen Verlagerungsmessung angeordnet sein kann, wie in 1 gezeigt ist, als auch zusätzlich außerhalb der Vorrichtung angeordnet sein kann, d. h., dass der vorhandene Signalgenerator verwendet wird, um das entsprechende Anregungs- oder Trägersignal für die Vorrichtung zur kapazitiven linearen Verlagerungsmessung zur Verfügung zu stellen.
Um die obige Vorrichtung besser zu verdeutlichen, wird im Folgenden angenommen, dass N gleich 4 ist, d. h. es werden 4 Streifenelektroden zu einer räumlichen Periode zusammengefasst, wobei die Anzahl M der in einer Reihe angeordneten Streifenelektroden weit größer als 4 ist, um den Messbereich zu gewährleisten. 2 zeigt ein beispielhaftes Diagramm der Vorrichtung in dieser Ausführungsform. Wie in 2 gezeigt ist, kann die Leseeinheit 110 in der Vorrichtung zwei Aufnahmebereiche enthalten: den Aufnahmebereich für die absolute Messung 111 und den Aufnahmebereich für die inkrementelle Messung 112.
Zunächst wird die absolute Verlagerungsmessung beschrieben:
Der Aufnahmebereich für die absolute Messung 111 besteht aus mindestens einem rechteckigen Erfassungsbereich, der von insgesamt R Streifenelektroden abgedeckt ist, um die detektierte Signalkombination in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung in einer Signalgenerierungs-Periode sequentiell auszugeben. In 2 sind die beiden rechteckigen Flächen der schraffierten Teile im Aufnahmebereich für die absolute Messung 111 Erfassungsbereiche, von denen jeder 4 Streifenelektroden abdecken kann, wobei beide Erfassungsbereiche insgesamt 8 Streifenelektroden abdecken können, wobei in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung Kombinationen von 8 Signalen ausgegeben werden und der Messbereich für die Verlagerung, der gemessen werden kann, (2⁸ – 8) × L ist, wobei L die Summe der Breiten der Streifenelektroden und der Abstände zwischen den Streifenelektroden ist. Die konkrete Anzahl der Aufnahmebereiche kann in Abhängigkeit vom erforderlichen Messbereich für die Verlagerung festgelegt werden.
Zwischen den Erfassungsbereichen des absoluten Aufnahmebereichs 111 befindet sich ein Trennungsbereich, um Signalstörungen zwischen den beiden Erfassungsbereichen zu verhindern. In jedem Erfassungsbereich kann es eine Ausgabeleitung geben, die jeweils die detektierten Signale an die Verlagerungsbestimmungseinheit 120 übergibt, um die 8-Bit-Signalkombinationen zusammenzusetzen.
Die Leseeinheit 110 befindet sich gegenüber der Verlagerungsskalierungseinheit 100 und bewegt sich entlang der in einer Reihe angeordneten Streifenelektroden 102. Die in einer Reihe angeordneten Streifenelektroden 102 befinden sich in der Mitte der Basis 101, sowohl mit der gleiche Breite der Elektroden als auch dem gleichen Abstand zwischen den Elektroden. Noch optimaler ist es, wenn die Breite der Elektroden und der Abstand zwischen den Elektroden gleich bleiben, so dass jede Breite und jeder Abstand als Maßstab dienen kann. Die 8 Signalleitungen 103 sind in zwei Gruppen aufgeteilt, von denen eine sich oberhalb der Streifenelektroden befindet und die andere sich unterhalb der Streifenelektroden befindet. Jeweils 4 aufeinanderfolgende Streifenelektroden bilden eine räumliche Periode und die Streifenelektroden, die sich in jeder räumlichen Periode in der gleichen Anordnung befinden, sind mit den zugehörigen Signalleitungen in der gleichen Anordnung im oberen und im unteren Teil verbunden. Die Streifenelektroden in einer räumlichen Periode werden mit A, B, C und D; die mit A gekennzeichnete Streifenelektrode kann sich mit der Signalleitung verbinden, die der Streifenelektrode im oberen und im unteren Teil am nächsten ist; die mit B gekennzeichnete Streifenelektrode kann sich mit der Signalleitung verbinden, die der Streifenelektrode im oberen und im unteren Teil am zweitnächsten ist; die mit C gekennzeichnete Streifenelektrode kann sich mit der Signalleitung verbinden, die der Streifenelektrode im oberen und im unteren Teil am drittnächsten ist; und die mit D gekennzeichnete Streifenelektrode kann sich mit der Signalleitung verbinden, die am weitesten von der Streifenelektrode im oberen und im unteren Teil entfernt ist.
Unter der Annahme, dass der Signalgenerator 104 in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung die Anregungssignale der Reihe nach in die Signalleitungen des oberen Teils lädt, wird in dieser Ausführungsform das Beispiel gewählt, dass ein Impulssignal geladen wird. Es können auch andere Signaltypen sein, jedoch muss sichergestellt sein, dass, wenn die Signalleitungen an jeder Streifenelektrode verbunden sind, die Arten der Verbindung der Streifenelektroden und der Signalleitungen im oberen Teil dazu führt, dass die an allen Verlagerungspositionen vom Aufnahmebereich für absolute Messung III in der Leseeinheit 110 erhaltenen 8-Bit-Signalkombinationen verschieden sind. In bestimmten Ausführungen kann zunächst die 8-Bit Signalkombination bestimmt werden und können die Signalleitungen der verschiedenen Streifenelektroden entsprechend der 8-Bit-Signalkombinationen verbunden werden, dann kann die zugehörige Beziehung zwischen den Signalkombinationen und dem Wert für die Verlagerung aufgezeichnet werden, um sie von der Verlagerungsbestimmungseinheit 120 zu verwenden.
Wenn der Signalgenerator 104 die Anweisung für eine Messung erhält, nachdem er von der Betriebsartschalteinheit 130 in die Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung geschaltet wurde, sollten die Impulssignale der Reihe nach in die 4 Signalleitungen im oberen Teil geladen werden, indem das Verfahren des zeitlichen Multiplexens in einer Signalgenerierungs-Periode angewendet wird, wie in 3a gezeigt ist, wobei eine Gruppe von Impulssignalen zu 4 Zeitpunkten in einer Signalgenerierungs-Periode generiert wird, nämlich t1, t2, t3 bzw. t4, die zum Zeitpunkt t1 generierten Impulssignale in die Signalleitung geladen werden, die der Streifenelektrode am nächsten ist, wobei die zum Zeitpunkt t2 generierten Impulssignale in die Signalleitung geladen werden, die der Streifenelektrode am zweitnächsten ist, wobei die zum Zeitpunkt t3 generierten Impulssignale in die Signalleitung geladen werden, die der Streifenelektrode am drittnächsten ist, wobei die zum Zeitpunkt t4 generierten Impulssignale in die Signalleitung geladen werden, die am weitesten von der Streifenelektrode entfernt ist, wobei auf diese Weise die Impulssignale zum Zeitpunkt t4 in die mit A gekennzeichnete Streifenelektrode geladen werden können und die Impulssignale zum Zeitpunkt t2 in die mit B gekennzeichnete Streifenelektrode geladen werden können, die Impulssignale zum Zeitpunkt t3 in die mit C gekennzeichnete Streifenelektrode geladen werden können und die Impulssignale zum Zeitpunkt t4 in die mit D gekennzeichnete Streifenelektrode geladen werden können.
Wenn die Position des Aufnahmebereichs für die absolute Messung 111 in der Leseeinheit 110 so ist, wie es in 3b gezeigt wird, ist die Signalform der Signale, die von der Leseeinheit 110 detektiert werden wie in 3c gezeigt. Die Leseeinheit 110 gibt die detektierten Signale zum Decodierer 121 in der Verlagerungsbestimmungseinheit 120 aus, dann decodiert der Decodierer 121 die empfangenen Signale, wobei unter der Annahme, dass die Signale, die detektiert werden können, zu 1 decodiert werden, und die Signale, die nicht detektiert werden können, zu 0 decodiert werden, die Signalkombinationen, die von der Leseeinheit 110 in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung zu den 4 Zeitpunkten der Reihe nach in einer Signalgenerierungs-Periode detektiert werden, in den 8-Bit binären absoluten Code 10110101 decodiert werden. Namentlich werden die Impulssignale, die in die Streifenelektroden geladen werden, die mit den Signalleitungen im oberen Teil verbunden sind, zu 1 übersetzt und werden die Impulssignale (es kann eine Störung vorliegen), die in die Streifenelektroden geladen werden, die mit den Signalleitungen im unteren Teil verbunden sind, zu 0 übersetzt.
Der Decodierer 121 sendet die decodierten absoluten Codes an den Tabellenprüfer 112, der den zum erhaltenen absoluten Code gehörenden Wert der Verlagerung gemäß der zugehörigen Beziehung zwischen den vorgegebenen absoluten Codes und dem Wert der Verlagerung bestimmt, wobei der Wert der Verlagerung der aktuelle absolute Wert der Verlagerung der Leseeinheit ist.
Die oben genannten absoluten Codes sind binäre digitale Codes, die im Vergleich zu einem analogen Signal einer externen Störung besser widerstehen können, und das Verfahren der Codierung ist einfacher und zuverlässiger, wobei die identische Beschaffenheit der Streifenelektroden dabei nicht zerstört wird und die vorliegende Erfindung realisiert werden kann, indem nur eine Reihe von Streifenelektroden verwendet wird, wobei die Verbindung einfach und leicht in Bearbeitung und Herstellung ist.
Zusätzlich legt die Länge des binären Codes fest, wie viele absolute Codes verwendet werden können, womit die absolute eindeutige Messlänge bestimmt werden kann, wobei eine große Messlänge häufig binäre Codes mit mehr als 4 Bits erfordert; im Allgemeinen erfordert eine metrische Länge absolute Codes größer als 8 Bits.
Es ist zu sehen, dass die Messung der absoluten Verlagerung tatsächlich die Breite der Streifenelektroden zur Messgenauigkeit nutzt, da die Breite der Elektrode häufig in mm angegeben ist; daher ist die Genauigkeit des absoluten Werts der Verlagerung auch in mm angegeben, die Messgenauigkeit ist also grob. Das kann jedoch durch inkrementelle Verlagerungsmessung ausgeglichen werden, die eine relative Verlagerung mit großer Genauigkeit messen kann. Schließlich kann der Wert der Verlagerung, der mit Hilfe der absoluten Verlagerungsmessung gemessen wurde, mit dem Wert der Verlagerung, der durch inkrementelle Verlagerungsmessung gemessen wurde, zu dem endgültigen Wert der Verlagerung mit hoher Genauigkeit kombiniert werden.
Das obige ist die Beschreibung der absoluten Verlagerungsmessung, wie sie von der Vorrichtung ausgeführt wird. Im Folgenden wird die inkrementelle Verlagerungsmessung, wie sie von der Vorrichtung ausgeführt wird, beschrieben.
Wenn der Signalgenerator 104 auf Anweisung der Betriebsartschalteinheit 130 in die Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung geschaltet wird, lädt er, wenn er einen Auftrag für eine Messung erhält, gleichzeitig die Trägersignale der gleichen Signalform in die Signalleitungen im oberen und unteren Teil, wobei die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen im oberen Teil geladen werden, 360°/N beträgt, die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die benachbarten Signalleitungen im unteren Teil geladen werden, 360°/N beträgt, und bewirkt, dass die Phasen der Signale, die an die Streifenelektroden angelegt werden, die in jeder räumlichen Periode jeweils an der gleichen Stelle in der Reihenfolge stehen, gleich sind. Das Trägersignal kann ein Sinus-Signal, ein Cosinus-Signal, ein Rechtecksignal, usw. sein.
Zum Beispiel lädt der Signalgenerator 104 die Sinus-Funktion mit einem Phasenabstand von 90° der Reihe nach in die Signalleitungen im oberen und unteren Teil, genauer: lädt das Signal V₀cos(ωt) in die Signalleitung, die der Streifenelektrode im oberen und im unteren Teil am nächsten ist, lädt das Signal V₀cos(ωt + 90°) in die Signalleitung, die der Streifenelektrode im oberen und im unteren Teil am zweitnächsten ist, lädt das Signal V₀cos(ωt + 180°) in die Signalleitung, die der Streifenelektrode im oberen und im unteren Teil am drittnächsten ist, und lädt das Signal V₀cos(ωt + 270°) in die Signalleitung, die von der Streifenelektrode im oberen und im unteren Teil am weitesten entfernt ist. Auf diese Weise wird in alle Streifenelektroden, die mit A gekennzeichnet sind, das Signal V₀cos(ωt) geladen, wird in alle Streifenelektroden, die mit B gekennzeichnet sind, das Signal V₀cos(ωt + 90°) geladen, wird in alle Streifenelektroden, die mit C gekennzeichnet sind, das Signal V₀cos(ωt + 180°) geladen und wird in alle Streifenelektroden, die mit D gekennzeichnet sind, das Signal V₀cos(ωt + 270°) geladen.
Wenn die Leseeinheit 110 auf Anweisung der Betriebsartschalteinheit 130 in die Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung geschaltet wird, verwendet sie den Aufnahmebereich für die inkrementelle Messung 112. Der Aufnahmebereich für die inkrementelle Messung 112 kann K Erfassungsbereiche einer besonderen Form enthalten, wobei K eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. In diesem Fall deckt jeder Erfassungsbereich N Streifenelektroden ab, d. h. eine räumliche Periode, und gibt die detektierten Signale in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung aus. Die Signalausgabe in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung kann eine andere Ausgabeleitung verwenden als die, die von der Signalausgabe in der Betriebsart der absoluten Messung verwendet wird.
Zusätzlich ist zu beachten, dass, da die Ausführung der Messung in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung von den verschiedenen Signalphasen abhängt, die von den verschiedenen relativen Verlagerungspositionen ausgegeben werden, das Erfassen der Signale auf den Streifenelektroden durch die Leseeinheit 110 im eigentlichen Sinne mit Hilfe der für Kondensatoren gültigen Gesetzmäßigkeiten ausgeführt wird, und dass ein Erfassungsbereich die Streifenelektroden einer räumlichen Periode abdeckt. Wenn der Abdeckungsbereich für die verschiedenen Streifenelektroden gleich ist, dann wird der Abstand von einer räumlichen Periode keine unterschiedlichen Phasenwerte erzeugen, weshalb dann, wenn der Abstand einer räumlichen Periode den Unterschied der Werte für die Phasen erzeugen kann, der Bereich aller Streifenelektroden, die in jeder Abstands-Position abgedeckt werden, eine Abweichung aufweisen wird. Das kann dadurch erreicht werden, dass ein Erfassungsbereich von einer besonderen Form verwendet wird, wobei die besondere Form eine nicht konstante Amplitude in Längsrichtung der Streifenelektrode aufweisen muss, z. B. indem sie einem bestimmten funktionalen Zusammenhang folgt, etwa einer Sinusfunktion, einer Cosinusfunktion, der Funktion einer Dreieckwelle, usw. Der Erfassungsbereich im Aufnahmebereich für die inkrementelle Messung 112 folgt, wie in 2 gezeigt, in Längsrichtung der Streifenelektrode hinsichtlich der Amplitude zum Beispiel einer Sinusfunktion.
Die Signale, die von der Leseeinheit 110 in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung ausgegeben werden, sind eigentlich das zusammengesetzte Signal der verschiedenen Streifenelektroden, das in der aktuellen Verlagerungsposition detektiert wird, und die Phase des zusammengesetzten Signals und die relative Verlagerung der Leseeinheit bilden einen linearen Zusammenhang, mit dessen Hilfe die Verlagerungsbestimmungseinheit 120 in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung den Wert der relativen Verlagerung bestimmen kann, der der von der Leseeinheit 110 ausgegebenen Signalphase entspricht. Der Bezugspunkt des Wertes der relativen Verlagerung ist in der Regel der Startpunkt der räumlichen Periode der aktuellen Verlagerung.
In dieser Betriebsart bestimmt der Decodierer 121 in der Verlagerungsbestimmungseinheit 120 die Signalphase, die von der Leseeinheit 110 in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung ausgegeben wird, und liefert sie an den Tabellenprüfer 122; der Tabellenprüfer 122 bestimmt den zugehörigen Wert der Verlagerung für die empfangene Signalphase gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen der Signalphase und dem Wert der Verlagerung.
Die Betriebsart der inkrementellen Messung bestimmt den Wert der relativen Verlagerung dadurch, dass sie die Phase der Ausgabesignale bestimmt, wobei die Genauigkeit des Wertes der Verlagerung, der auf diese Weise erhalten wird, sehr hoch ist, wodurch eine Verlagerung gemessen werden kann, die kleiner ist als die Breite der Streifenelektrode und die Größenordnung von um erreichen kann. In der vorliegenden Erfindung kann der Wert der endgültig gemessenen Verlagerung die Einbeziehung des Wertes der absoluten Verlagerung, der in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung gemessen wurde, in den Wert der relativen Verlagerung sein, der in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung gemessen wurde, wobei die Größenordnung der Breite der Streifenelektrode, die in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung gemessen wurde, geringer ist als die Verlagerung der Breite der Streifenelektrode, die mit Hilfe der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung gemessen wurde. In der speziellen Kombination sollte zunächst der Anfangswert der räumlichen Periode als Wert der absoluten Verlagerung bestimmt werden, der in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung gemessen wurde, woraufhin der endgültige Wert der Verlagerungsmessung durch Addieren des Anfangswertes der räumlichen Periode zum relativen Wert erhalten wird, der in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung gemessen wird.
Die Verlagerungsskalierungseinheit 100 in der vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen in der Form einer Leiterplatte (PCB) gefertigt. Wenn die Leiterplatte auf einer harten Basis 101 hergestellt ist, kann das Herstellungsverfahren keine Skala mit der Länge von mehreren Metern produzieren, wobei die für den Einsatz erforderliche Länge üblicherweise größer als 1 Meter ist. Wenn jedoch eine flexible Leiterplatte (FPCB) verwendet wird, kann eine lange Skala zusammenhängend produziert werden. Wie 4 zeigt, sind die Streifenelektrode 102 und die Signalleitung 103 im Rollendruck-Verfahren auf die Vorderseite der flexiblen Basis 101 aufgebracht und verbindet der Leitungsdraht 105 auf der Rückseite die Streifenelektrode 102 und die Signalleitung 103 über eine Steckverbindung. Dieses doppelseitige und einschichtige Entwurfsverfahren ist für die Herstellung mit Hilfe des Rollendruck-Verfahrens geeignet, das die Bearbeitungslänge erlaubt, die mehrere Meter bis mehrere zehn Meter erreicht.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist erkennbar, dass das Verfahren und die Vorrichtung, die durch die vorliegende Erfindung geschaffen werden, folgende Vorteile haben:

1) Die vorliegende Erfindung führt dazu, dass die Leseeinheit in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung die Signalkombinationen der abgedeckten R Streifenelektroden der Reihe nach innerhalb einer Signalperiode ausgibt mit Hilfe des Verfahrens, dass die Anregungssignale der Reihe nach innerhalb der verschiedenen räumlichen Perioden in einer Signalperiode in die Streifenelektroden geladen werden, wobei die absolute Verlagerung der Leseeinheit mit Hilfe der Signalkombinationen identifiziert werden kann, so dass die absolute Verlagerungsmessung einfach mit Hilfe der einzelnen Reihe von Streifenelektroden durchgeführt werden kann, im Gegensatz zu den mehrfachen Reihen von Elektroden im zweiten Verfahren des Standes der Technik, wodurch die Komplexität der Schaltung und der Platzbedarf reduziert werden und die Konstruktion der Vorrichtung außerordentlich vereinfacht wird; zudem verzichtet sie im Gegensatz zum ersten Verfahren des Standes der Technik auf den aufwändigen Vorgang des Zerschneidens und kann die absolute Verlagerungsmessung einfacher ausführen.
2) Was die vorliegende Erfindung mit Hilfe der absoluten Verlagerungsmessung erhält, sind Signalkombinationen in einer Signalperiode, was tatsächlich eine Art digitaler Modus für das Erhalten absoluter Codes ist, wobei sie unempfindlich gegenüber dem Neigungsgrad der Leseeinheit ist und im Vergleich zum ersten Verfahren des Standes der Technik eine größere Störsicherheit bietet.
3) Zusätzlich zur absoluten Verlagerungsmessung ermöglicht die vorliegende Erfindung, die gleiche Vorrichtung für die inkrementelle Verlagerungsmessung umzubauen, da die Gesamtheit der Streifenelektroden nicht zerstört wird, um die Vorteile der hohen Genauigkeit der inkrementellen Verlagerungsmessung einzubeziehen und die Messgenauigkeit der absoluten Verlagerungsmessung außerordentlich zu verbessern.
4) Die vorliegende Erfindung benötigt nur eine einzelne Reihe von Streifenelektroden und sie erfordert keinen komplizierten Herstellungsprozess, wodurch sie kostengünstiger ist als die beiden Verfahren des Standes der Technik. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung das Rollendruck-Verfahren nutzen und eine Vorrichtung mit einer längeren Skala herstellen.

Das Vorstehende beschreibt lediglich die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, was nicht bedeutet, dass die Erfindung darauf eingeschränkt ist. Jede Art von Änderungen, gleichwertige Ersetzungen und Verbesserungen innerhalb des Erfindungsgedankens und des Prinzips der vorliegenden Erfindung sollen in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sein.

Claims

Vorrichtung für kapazitive lineare Verlagerungsmessung, die Folgendes umfasst: eine Verlagerungsskalierungseinheit (100), eine Leseeinheit (110) und eine Verlagerungsbestimmungseinheit (120); dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungsskalierungseinheit (100) eine Basis (101), M identische Streifenelektroden (102) und eine erste Gruppe von Signalleitungen (103) aufweist, wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 4 ist; wobei die M Streifenelektroden (102) auf der Basis (101) in einer Reihe äquidistant angeordnet sind, und jeweils N aufeinanderfolgende Streifenelektroden (102) eine räumliche Periode bilden; wobei die erste Gruppe von Signalleitungen (103) N Signalleitungen (103) umfasst, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist; wobei in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) die N Signalleitungen (103) in der ersten Gruppe von Signalleitungen (103) in einer Signalgenerierungsperiode der Reihe nach mit Anregungssignalen geladen werden; wobei die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode (102) und der ersten Gruppe von Signalleitungen (103) dazu führt, dass sämtliche Kombinationen von Anregungssignalen, die an allen Verlagerungs-Positionen von der Leseeinheit (110) in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) detektiert werden, voneinander verschieden sind; wobei die Leseeinheit (110) sich entlang der M Streifenelektroden (102) bewegt und in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) R Streifenelektroden (102) abdeckt, wobei sie die Anregungssignale detektiert, die in die Streifenelektroden (102) geladen werden, die sie abdeckt, und die detektierten Signalkombinationen ausgibt, wobei R eine ganze Zahl größer oder gleich N ist; und die Verlagerungsbestimmungseinheit (120) verwendet wird, um den zugehörigen Wert der Verlagerung für eine Signalkombination zu bestimmen, die von der Leseeinheit (110) in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) ausgegeben wird, indem sie die vorgegebene zugehörige Beziehung zwischen dem Wert der Verlagerung und der Signalkombination verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungsskalierungseinheit (100) ferner eine zweite Gruppe von Signalleitungen (103) umfasst, die weitere N Signalleitungen umfasst; wobei in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) die erste Gruppe von Signalleitungen und die zweite Gruppe von Signalleitungen mit Trägersignalen der gleichen Signalform geladen werden, und die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen (103) jeder Gruppe von Signalleitungen geladen werden, 360°/N beträgt; wobei die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode (102) und der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe von Signalleitungen (103) bewirkt, dass die Streifenelektroden (102), die in jeder räumlichen Periode jeweils an der gleichen Stelle der Reihenfolge stehen, in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) mit der gleichen Phase von Trägersignalen geladen werden; wobei die Leseeinheit (110) ferner verwendet wird, um in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) KN Streifenelektroden (102) abzudecken und die detektierten Signale auszugeben, wobei K eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist; und die Verlagerungsbestimmungseinheit (120) ferner verwendet wird, um den Wert der Verlagerung entsprechend der Phase des Signals, das von der Leseeinheit (110) in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) ausgegeben wird, zu bestimmen, indem sie die zugehörige Beziehung zwischen der Phase des Signals und dem Wert der Verlagerung verwendet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner Folgendes umfasst: einen Signalgenerator (104), der verwendet wird, um die Anregungssignale der Reihe nach in die N Signalleitungen der ersten Gruppe von Signalleitungen (103) in einer Signalisierungsperiode zu laden, nachdem er in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) die Anweisung für eine Messung erhalten hat; wobei die Signalleitungen (103) in der ersten Gruppe und in der zweiten Gruppe von Signalleitungen gleichzeitig mit Trägersignalen der gleichen Signalform geladen werden, nachdem der Signalgenerator (104) in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) die Anweisung für eine Messung erhalten hat, und die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen (103) in jeder Gruppe von Signalleitungen geladen werden, 360°/N beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner Folgendes umfasst: eine Betriebsartschalteinheit (130), die verwendet wird, um sowohl die Leseeinheit (110) als auch die Verlagerungsbestimmungseinheit (120) in die Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) oder in die Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) zu schalten.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leseeinheit (110) Folgendes umfasst: einen Aufnahmebereich für die absolute Messung (111) und einen Aufnahmebereich für die inkrementelle Messung (112); wobei der Aufnahmebereich für die absolute Messung (111) mindestens einen rechteckigen Erfassungsbereich umfasst, der insgesamt R Streifenelektroden (102) abdeckt, und verwendet wird, um in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) die detektierten Signalkombinationen auszugeben; wobei sich zwischen den rechteckigen Erfassungsbereichen ein nichtleitender Trennbereich befindet; wobei der Aufnahmebereich für die inkrementelle Messung K Erfassungsbereiche von besonderer Form umfasst und jeder Erfassungsbereich N Streifenelektroden (102) abdeckt, um in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) die detektierten Signale auszugeben; und die besonderen Formen in Längsrichtung der Streifenelektroden (102) nicht konstante Amplituden aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungsbestimmungseinheit (120) Folgendes umfasst: einen Decodierer (121) und einen Tabellenprüfer (122); wobei der Decodierer (121) verwendet wird, um die von der Leseeinheit (110) in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) ausgegebenen Signalkombinationen in binäre absolute Codes zu decodieren und die Codes an den Tabellenprüfer (122) zu übergeben; wobei in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) der Decodierer (121) die Phase der von der Leseeinheit (110) ausgegebenen Signale bestimmt und sie an den Tabellenprüfer (122) übergibt; wobei der Tabellenprüfer (122) verwendet wird, um den zum erhaltenen absoluten Code gehörenden Wert der Verlagerung gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen der Signalkombination und dem Wert der Verlagerung zu bestimmen; und der Tabellenprüfer (122) den der Phase des empfangenen Signals entsprechenden Wert der Verlagerung gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen der Signalphase und dem Wert der Verlagerung bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass N gleich 4 ist, die Streifenelektroden (102), die in jeder räumlichen Periode an der jeweils gleichen Stelle der Reihenfolge stehen, mit den Signalleitungen in der ersten Gruppe oder zweiten Gruppe von Signalleitungen (103) entsprechend ihrer Stelle in der Reihenfolge verbunden sind; wobei der Signalgenerator (104) in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) das Anregungssignal in einer Signalgenerierungs-Periode der Reihe nach im zeitlichen Multiplex-Verfahren in die vier Signalleitungen in der ersten Gruppe von Signalleitungen (103) lädt; wobei die Signalleitungen in der ersten Gruppe und in der zweiten Gruppe von Signalleitungen in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) gleichzeitig mit Trägersignalen geladen werden und die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen in jeder Gruppe von Signalleitungen (103) geladen werden, 90° beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anregungssignal ein Impulssignal ist; und das Trägersignal ein trigonometrisches Signal oder ein Rechtecksignal ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis (101) eine flexible Leiterplatte ist und die Streifenelektroden (102) und Signalleitungen (103) auf die Basis mit Hilfe des Rollendruck-Verfahrens aufgebracht sind.
Verfahren für kapazitive lineare Verlagerungsmessung, die in der Vorrichtung verwendet wird, die eine Verlagerungsskalierungseinheit (100), eine Leseeinheit (110) und eine Verlagerungsbestimmungseinheit (120) umfasst, wobei die Verlagerungsskalierungseinheit (100) Folgendes umfasst: eine Basis (101), M identische Streifenelektroden (102) und eine erste Gruppe von Signalleitungen (103), wobei M eine ganze Zahl größer oder gleich 4 ist; die M Streifenelektroden (102) auf der Basis in einer Reihe äquidistant angeordnet sind, und jeweils N aufeinanderfolgende Streifenelektroden (102) eine räumliche Periode bilden, wobei die erste Gruppe von Signalleistungen N Signalleitungen (103) umfasst, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist; wobei in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung die N Signalleitungen der ersten Gruppe von Signalleitungen (103) in einer Signalgenerierungsperiode der Reihe nach mit Anregungssignalen geladen werden; die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode (102) und der ersten Gruppe von Signalleitungen (103) bewirkt, dass in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) sämtliche Kombinationen von Anregungssignalen, die an allen Verlagerungs-Positionen von der Leseeinheit (110) detektiert werden, voneinander verschieden sind; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: die Leseeinheit (110) bewegt sich entlang der M Streifenelektroden (102) und gibt die Signalkombinationen aus, die an den abgedeckten R Streifenelektroden (102) in der Betriebsart der absoluten Verlagerungsmessung (111) detektiert werden, wobei R eine ganze Zahl größer oder gleich N ist; und die Verlagerungsbestimmungseinheit (120) bestimmt den Wert der Verlagerung, der der Signalkombination entspricht, die von der Leseeinheit (110) in der Betriebsart der absoluten Verschiebungsmessung detektiert wird, gemäß der vorgegebenen zugehörigen Beziehung zwischen dem Wert der Verlagerung und der Signalkombination.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlagerungsskalierungseinheit (100) ferner eine zweite Gruppe von Signalleitungen umfasst, wobei die zweite Gruppe von Signalleitungen weitere N Signalleitungen (103) umfasst und in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) die erste Gruppe von Signalleitungen und die zweite Gruppe von Signalleitungen gleichzeitig mit Trägersignalen der gleichen Signalform geladen werden, wobei die Phasendifferenz zwischen den Trägersignalen, die der Reihe nach in Abständen in die Signalleitungen (103) in jeder Gruppe von Signalleitungen (103) geladen werden, 360°/N beträgt; wobei die Verbindung zwischen jeder Streifenelektrode (102) und der ersten Gruppe und zweiten Gruppe von Signalleitungen (103) außerdem bewirkt, dass die Streifenelektroden (102), die in jeder räumlichen Periode jeweils an der gleichen Stelle der Reihenfolge stehen, in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) mit den gleichen Signalphasen geladen werden; wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: die Leseeinheit (110) gibt in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung (112) die an den abgedeckten KN Streifenelektroden (102) detektierten Signale aus, wobei K eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist; die Verlagerungsmesseinheit bestimmt den Wert der Verlagerung entsprechend der Phase des Signals, das von der Leseeinheit (110) in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung ausgegeben wird, gemäß der zugehörigen Beziehung zwischen der Signalphase und dem Wert der Verlagerung.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Bestimmen des endgültigen Wertes für die Verlagerung durch Kombinieren des Wertes der Verlagerung, der in der Betriebsart der absoluten Messung (111) bestimmt wurde mit dem Wert, der in der Betriebsart der inkrementellen Verlagerungsmessung bestimmt wurde, durch die Verlagerungsbestimmungseinheit (120).