DE2117400A1

DE2117400A1 - Vorrichtung zur Messung linearer Verschiebungen

Info

Publication number: DE2117400A1
Application number: DE19712117400
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois; Delapierre Gilles; Grenoble Michaud (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-04-10
Filing date: 1971-04-08
Publication date: 1971-10-28
Also published as: US3723866A; CH538673A; GB1283323A; ES390035A1; FR2086854A5; BE765294A

Description

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Dip!.·:,. . ■■ '--'----^CHT 410-16.885P(16.886H) 8.4.1971

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8 M ü η eh ο η £2, Clsinodorfoir, 1·

Commissariat ä !'Energie Ätomique, P a r i s (Prankreich)

Vorrichtung zur Messung linearer Verschiebungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung linearer Verschiebungen, insbesondere zur Hochpräzisionsmessung (mit einer Genauigkeit von größenordnungsmäßig 1 /Um), mit einem leichten Fühler, der praktisch keine Energie verbraucht und verwendet werden kann, wenn ein Gegenstand,dessen Verschiebung zu messen ist, an e^Lnem unzugänglichen Ort, insbesondere in Vakuum, angeordnet isto

Die eben genannten Bedingungen treten häufig in Labors auf, z. Bo wenn die Verschiebung von Organen von Ionenquellen zu messen isto Man muß dann Verschiebungen relativ geringen Betrags messen, jedoch mit sehr hoher Genauigkeit und in Höchstvakuum, in Gegenwart von magnetischen Streufeldern und Schwingungen, die sehr stark sein können«

41O-B3663.3-Hd-r (7)

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Es gibt bereits zahlreiche Vorrichtungen zur Messung von linearen Verschiebungen, deren Empfindlichkeit und Genauigkeit hoch sind. Insbesondere gibt es optische Vorrichtungen, die eine Auflösung und eine Genauigkeit von größenordnungsmäßig O,1 /um erlauben, jedoch sind Gewicht und Raumbedarf dieser optischen Einrichtungen sehr groß_o Die Vorrichtungen verwenden einen Differentialtransforma-tor als Fühler oder Geber, der eine unzureichende Stabilität hat, und es ist schwierig, den Fühler gegen die Einwirkung elektromagnetischer Streufelder abzuschirmen.

Schließlich gibt es elektrische Vorrichtungen, deren Fühler durch einen Kondensator gebildet ist₉ dessen Kapazitätsänderungen gemessen werden. !Ob allgemeinen erzeugt die zu messende Verschiebung eine Änderung des Abstands zwischen den Elektroden. Gewicht und Raumbedarf des Kondensators sind gering, der Kondensator verbraucht praktisch keine Energie₉ er ist leicht gegen elektrische Felder abzuschirmen und auch unempfindlich gegen magnetische Felder, jedoch sind die bisher bekanntgewordenen derartigen Einrichtungen nicht genau genug·

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung W zur Messung von linearen Verschiebungen anzugeben, die zwar einen Kondensator als Fühler verwendet, jedoch im Vergleich zu den bekannten derartigen Einrichtungen eine höhere Genauigkeit hat, ohne daß die Vorteile derartiger bekannter Einrichtungen verlorengehen.

Eine Vorrichtung zur Messung linearer Verschiebungen, mit einem Fühler, der aus zwei Organen besteht, von denen das eine durch einen Meßstab mit parallelen Flächen und

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das andere durch einen Läufer mit parallelen, den Flächen des Meßstabes gegenüberliegenden Flächen gebildet ist₉ wobei die beiden Organe gegeneinander in vorgegebener Richtung parallel zu den Flächen verschiebbar sind, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das eine Organ auf jeder seiner Flachem einen ersten Satz von Leiterzügen hat, die mit einem Teilungsschritt entlang der vorgegebenen Richtung angeordnet und elektrisch verbunden sind, und daß das andere Organ gegenüber jedem der ersten Sätze N Leiterzüge hat, die denselben Teilungsschritt haben und elektrisch miteinander -verbunden sind, daß die beiden Kondensatoren, die jeweils durch einen Satz von η Leiterzügen und durch einen Satz von If Leiterzügen gebildet sind, in Reihe geschaltet sind, und daß eine Einrichtung zur Messung der Kapazität der Kondensatoren vorgesehen ist·

Es ist ersichtlich, daß die RelatiwerSchiebungen des Meßstabs und des Läufers eine periodische Variation der Kapazität durch Variation der gegenüberliegenden Leiterflächen hervorrufen, wobei wegen dieser Periodizität die Genauigkeit praktisch unabhängig von der Größe der zu messenden Verschiebung wird, was nicht der Fall wäre, wenn die Kapazitätsänderung im ganzen S_el.eich dieser Verschiebung kontinuierlich wäre· Anders ausgedrückt, die symmetrische Anordnung unterdrückt fast vollständig Querverschiebungen als Fehlerursache,

Die Erfindung wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, daß das eine Organ auf jeder seiner Flächen einen zweiten Satz von η Leiterzüegen hat, die gleich den ersten, aber gegen diese um einen halben Teilungsschritt versetzt sind, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist,um die Kapazität

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der so gebildeten beiden zusätzlichen Kondensatoren zu
messen, deren Elektroden einerseits durch die zweiten
Sätze von η Leiterzügen und andererseits durch die beiden Sätze von N Leiterzügen dargestellt sind, und daß
die beiden zusätzlichen Kondensatoren in Reihe geschaltet sind.

Diese Weiterbildung hat einen doppelten Vorteil* sie läßt keine Unsicherheit über die Verschiebungsrichtung
von einem gegebenen mittleren Punkt aus aufkommen und erlaubt, durch Umschalten von einem Kondensator auf einen
SP anderen, immer auf denjenigen Kondensator sich zu beziehen, der die beste Genauigkeit gewährleistet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung
näher erläuterte Es zeigen«

Fig» 1 eine Prinzipansicht eines Ausführungsbeispiels des Fühlers der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt durch eine Ebene parallel zur Verschiebungsrichtung;

Fig. 2 eine perspektivische Explosivdarstellung, aus der der Betrieb und die relative Lage der von dem Maßstab und dem Läufer getragenen Leiterzüge ersichtlich sind;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, teilweise im

Schnitt, des in Fig» I schematisch gezeigten
Fühlers; und

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Fig. k das Schaltbild einer Meßanordnung für die Kapazität, die den Fühlern von Fig. 1 - 3 in der Vorrichtung zugeordnet ist.

Der in Fig. 1 schematisch abgebildete kapazitive Fühler hat zwei Organe, die gegeneinander in Pfeilrichtung f und dazu entgegengesetzt beweglich sind. Das eine der beiden Organe ist durch einen flachen Meßstab 10 gebildet, der zwei ebene, parallele Flächen hat. Um eine hohe Genauigkeit von größenordnungsmäßig 0,1 /um für Messungen von etwa 1 /um zu erreichen und den Abstand der Flächen auch bei Temperaturschwankungen aufrechtzuerhalten, kann man insbesondere einen optisch polierten Meßstab aus Siliciumoxid verwenden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient sehr gering ist. Das zweite Organ 12 ist durch einen Läufer oder Schieber in Form von Platten 14 und 14' gebildet, die durch (nicht in Fig. 1 abgebildete) Mittel verbunden sind, die den Abstand der Innenflächen konstant halten, die gegenüber den parallelen Flächen des Meßstabs 10 angeordnet sind. Wie weiter unten erkennbar werden wird, gehen vom Läufer 12 getragene Leiterzüge vollständig in jede Messung, so daß es nicht notwendig ist, die Parallelität der Flächen des Läufers mit der gleichen Präzision wie bei den Flächen des Meßstabs 10 zu erreichen,, Im Gegensatz dazu ist es jedoch notwendig, wie noch genauer gezeigt werden wird, daß der Abstand konstant ist, selbst bei Temperaturschwankungen, weshalb man diesen Abstand durch zwischengeschobene Distanzstücke aus geschmolzenem Siliciumoxid gewährleisten kann.

Die beiden Flächen des Meßstabes 10 tragen "Mäander¹¹, die jeweils durch N Leiterzüge 16 gebildet sind, die elek-

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trisch parallelgeschaltet sind. Die Leiterzüge 16 können durch Aufdampfen im Vakuum oder durch. Pfootoätzung hergestellt sein. Diese Verfahren erlauben tatsächlich, eine Dicke von nicht mehr als 0,1 /um und eine Genauigkeit von größenordnungsmäßig O₉1 /van pro Teilung oder Schrittweite zu erreichen. Die elektrische Verbindung kann durch einen Metalldraht 18 hergestellt sein, der sick in einer Nut befindet, die die Leiterzüge verbindet. Biese Nut ist seitlich und entgegengesetzt auf den beiden Flächen des Meßstabs 10 angebracht. Die von den Leiterzügen 16 und I6^r eingenommene Länge liegt die Größe der meßbaren Verschiebungen fest. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 nehmen die Leiterzüge 16 die gesamte Länge des Meßstabs 10 ein. .

Die gegenüberliegenden Flächen von Platten 14 und 14* des Läufers tragen jeweils einen "Mäander¹¹ mit η Leiterzügen 20 und 20*, die dieselbe Teilung oder Schrittweite und die gleiche Breite wie die Leiterzüge i6 und i6* haben. Die Leiterzüge ein und derselben Platte sind jeweils parallelgeschaltet. Die Verbindung kann wie für die Leiterzüge 16 und Ί6« durch Metalldrähte 21 b zw. 21* erfolgen«, Die Verbindungsdrähte 21 und 21* sind vorteilhafterweise gegenüber den Verbindungsdrahten 18 und 18* angeordnet, um eine Symmetrie zu gewährleisten» Alle η Leiterzüge jeder Platte gehen ständig in die Messung ein, so daß ein Fehler (z, B. mangelnde Parallelität) systematisch in allen Messungen wiederkehrt und sich daher nicht als ein Meßfehler wie im Fall des Meßstabs 10 fortpflanzt. Aus diesem Grund können die Toleranzen des Läufers größer als die des Meßstabs sein.

Die Kondensatoren, von denen der eine durch die Ma-

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ander der Leiterzüge i6 und 20 sowie der andere durch die Mäander der Leitersüge 16* und 20' gebildet ist, sind in Reihe geschaltet (vgl* Fig. 1), und Zusatzeinrichtungen, die noch beschrieben werden, erlauben die Messung der daraus resultierenden Kapazität, entweder direkt oder indirekt. Die Reihenschaltung hat den "Vorteil, sehr empfindlich die Folgen einer zufälligen Verschiebung des Meßstabs 10 gegen die eine oder die andere der Platten 1*f und i4^f zu unterdrücken. Eine einfache Rechnung zeigt; daß die resultierende Kapazität C₁ durch die Beuiehung C₁ = A/(H-L) gegeben ist, wenn die Leiterzüge gegenüberliegen, wobei H den Abstand zwischen den Leiterzügen 20 und 20*, L den Abstand zwischen den Leiterzügen 16 und 16' sowie A die Breite der Leiterzüge (= der halben Schrittweite oder Teilung) bezeichnet. Schließlich wird die dielektrische Konstante als gleich Eins angenommen, was der Fall ist, wenn der Fühler sich in einem mit Vakuum beaufschlagten Gefäß befindete Diese Formel zeigt, daß Dezentrierungen des Meßstabs 10 nicht in die Kapazität C₁ eingehen.

Da es schwierig ist, die Leiterzüge 16. und λ6^% auf dem Meßstab 10 genau gegenüber anzuordnen, sind die Platten 14 und i4* vorteilhafterweise durch eine Befestigungseinrichtung verbunden, durch die leicht ihre Längsstellung einstellbar ist. Auf diese Weise kann man die gegenüberliegende Drehung der Leiterzüge 16 und 20 einerseits und der Leiterzüge 16¹ und 20* andererseits gewährleisten. Außerdem hat das Gehäts e vorteilhafterweise eine Einrichtung, die eine Querjustierung relativ zum Meßstab 10 erlaubt, damit die Mäander sich genau decken«

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Der eben beschriebene Fühler hat noch eine gewisse Unvollkommenheit, da er eine identische Kapazität für zwei verschiedene Relativstellungen des Meßstabs 10 und des Läufers innerhalb einer Schrittweite aufweist. Um diese Unsicherheit zu überwinden, verfolgt der Fühler gemäß Fig. 1 und -2 über zwei zusätzliche Mäander auf den gegenüberliegenden Flächen der Platten 14 und i4^!. Leiterzüge 22 und 22' dieser Mäander sind um eine halbe Schrittweite oder Teilung gegen die Leiterzüge 20 und 2O^! versetzt. Wenn man annimmt, daß die Änderung der Kapazität C₁ aus einer gegebenen Ausgangsstellung (in der die Leiterzüge 16 und 20 gegenüberliegen) einem Cosinus-Gesetz folgt, folgt die Kapazität C₂, die durch die beiden in Reihe geschalteten Kondensatoren gebildet ist, nämlich einerseits durch die Leiterzüge 22 und 16 und andererseits durch die Leiterzüge 22' und to¹, einem Sinus-Gesetz, ausgehend von derselben Ausgangsstellung. Man kann also durch ein einfaches Umschalten der Messung die obige Unsicherheit beseitigen. Außerdem erlaubt dieses Umschalten, für jede Messung dasjenige der beiden Kondensatorpaare zu nehmen, das die beste Linearität ergibt.

In der Praxis kann der Fühler den in Fig. 3 gezeigten Aufbau haben. Der Meßstab 10 ist mit seinen Seitenflächen, die keine Leiterzüge tragen, in zwei Rahmenhälften 2k und 2k ^e verschiebbar, die die beiden Platten 14 und 1*l·' des ' Läufers tragen. Der Abstand zwischen den Platten Ik und Ik* wird durch Distanzstücke 26 aus geschmolzenem Siliciumoxid aufrechterhalten. Zwei Spannplatten 28 und 28', die durch nicht gezeigte Schrauben verbunden sind, halten die Rahmenhälften 2k und 2k* in Anlage an die Dietanzstttcke 26.,

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In einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel zur Messung von Verschiebungen mit einer Genauigkeit von größenordnungsmäßig 1 /um hatten die Mäander eine Schrittweite von 2 mm und eine Breite von 20 mm. Der Meßstab 10 bestand aus einem Stab aus geschmolzenem Siliciumoxid, optisch poliert, mit einer Dicke von 4,5 mm. Die Breite der Leiterzüge war gleich der halben Schrittweite, d. h. 1 mm.

Vorzugsweise wird die Kapazität durch ein indirektes Meßverfahren bestimmt^ das viel genauer und zuverlässiger als eine direkte Messung ist. Von den möglichen indirekten Verfahren kann man die Messung der Frequenzen eines abstimmbar en Oszillators nennen, dessen Fühler die Abstimmkapazität bildet· Diese Lösung hat den Vorteil, eine Messung zu gewährleisten, die wenig empfindlich gegenüber Schwankungen der Speisespannung und sehr stabil ist. Wegen der Nichtlinearität der Beziehung zwijschen der Frequenz und der Kapazität sollte man jedoch die Messung der Kapazität über eine Spannungsmessung durchführen, die außerdem mit großer Genauigkeit vorgenommen werden kann, d. h. größenori
talvoltmeters.

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d. h. größenordnungsmäßig.von 10 , mit Hilfe eines Digi-

Fig. k zeigt das Prinzipschaltbild einer Meßanordnung, * die eine Messung der Kapazität über eine Spannungsmessung erlaubt (vgl· S· Lion, "Review of Scientific Instruments¹¹, März 196A, S. 353 - 356)o

Die Meßanordnung hat zwei Dioden 28, die so gewählt sind, daß sie identische Eigenschaften aufweisen« Die Meßanordnung wird von einem Hochfrequenzspannungsgenerator 30

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versorgt, wobei die Frequenz größenordniangsinäßig 1 MHz beträgt, damit die Ansprechzeit settr¹ -Jessrz ist. Man erreicht ziemlieh schwierig eine Empfindlichkeit von 100 mV/pF für eine Kapazität C₉ deren Mittelwert 15 pF beträgt** Durch Vertauschen oder Umschalten von C₁ tand C„ kann man außerdem eine befriedigende Linearität der Beziehung zwischen der Verschiebung xssad deir Kapazität für Viertel aufeinanderfolgender Teiltsugssclaxitte erreichen.

Bs versteht sich, daß verschiedenste Abwandlungen der hier gezeigten Ausführungsbeispiele möglich sind. Insbesondere sind die vom Läufer ge-fcragsaien Leiterzüge, die zu einem selben Satz oder Mäander gehören, vorteilhafterweise durch einen Draht verbunden, der sich nicht seitlich (wie ia Fig, 2 abgebildet) befindet„ sondern in der Mittelebene, der entsprechenden Plaste. Auf diese Weise werden Fehler infolge seitlichen Spiels bedeutend verringert.

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Messung linearer Verschiebungen, mit einem Fühler, der aus zwei Organen besteht, von denen das eine durch einen Meßstab mit parallelen Flächen und das andere durch einen Läufer mit parallelen, den Flächen des Meßstabs gegenüberliegenden Flächen gebildet ist, wobei die beiden Organe gegeneinander in vorgegebener Richtung parallel zu den Flächen verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet , daß das eine Organ (1k, 1^¹) auf jeder seiner Flächen einen ersten Satz von η ja

Leiterzügen (2O, 2O*) hat, die mit einem Teilungsschritt (p) entlang der vorgegebenen Richtung angeordnet und elektrisch verbunden sind, und daß das andere Organ (ΐθ) gegenüber jedem der ersten Sätze N Leiterzüge (i6, i6^f) hat, die denselben Teilungsschritt (p) haben und elektrisch miteinander verbunden sind, daß die beiden Kondensatoren, die jeweils durch einen Satz von η Leiterzü» gen und durch einen Satz N Leiterzügen gebildet sind, in Reihe geschaltet sind, und daß eine Einrichtung zur Messung der Kapazität der Kondensatoren vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- M net, daß das eine Organ (i4, lh*) auf jeder seiner Flä- ^~

eben einen zweiten Satz von η Leiterzügen (22, 22')hat, die gleich den ersten, aber gegen diese um einen halben Teilungsschritt (p/2) versetzt sind, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um die Kapazität der so gebildeten beiden zusätzlichen Kondensatoren zu messen, deren Elektroden einerseits durch die zweiten Sätze (22, 22^f) von η Leiterzügen und andererseits durch die beiden Sätze

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von N Leiterzügen (16, 16*) dargestellt sind, und daß die beiden zusätzlichen Kondensatoren in Reihe geschaltet sind.

3» Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Kapazität einen Oszillator, in dessen Abstimmkreis die Kapä*- zitat angeordnet ist, und eine Anordnung zur Messung der Frequenz des Oszillators hat.

h. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der Kapazität einen stabilisierten Hochfrequenzgenerator (30), der eine Anordnung versorgt, in der sich der Fühler (C₁) befindet, und ein Voltmeter^ zur Erfassung der Spannung hat, die an der Kapazität anliegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Zählen der Schwingungsperioden ab einer vorbestimmten S.ellung.

6« Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstab (1O) ein Siliciumstab ist, dessen parallele Flächen, die die Sätze von Leiterzügen (16, 1-6*) trragen, optisch poliert sind,

7» Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, . daß der Lgufer zwei Platten (14, 14') hat, die mit einer Einrichtung versehen sind, um sie gegeneinander in Längsrichtung zu verschieben, damit eine mögliche Versetzung zwischen den Leiterzügen auf den beiden Flächen des Meßstabs (t-O) kompensiert wird.

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8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zwischen den Leiterzügen jeweils durch einen Metalldraht (18, 18¹) hergestellt ist, der in einer Nut angeordnet ist, die die Ränder oder die Mitten der Leiterzüge verbindet, und daß die Metalldrähte bei Übergang von einem Organ zum anderen entgegengesetzt angeordnet sind,
falls sie die Ränder der Leiterzüge verbinden.

9· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Stelleinrichtung für die

Justierung des Meßstabs (1O) in Richtung parallelzu sei- ^ nen Flächen und senkrecht zu seiner Verschiebung.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstab (1O) in einem Gehäuse (zk_t 24») durch gleitende Lagerung seiner Seitenflächen ohne Leiterzüge an Flächen des Gehäuses, die
gleichfalls ohne Leiterzüge sind, geführt ist«,

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