DE2640057C3 - Gerät zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen - Google Patents

Gerät zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen

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DE2640057C3 DE2640057A DE2640057A DE2640057C3 DE 2640057 C3 DE2640057 C3 DE 2640057C3 DE 2640057 A DE2640057 A DE 2640057A DE 2640057 A DE2640057 A DE 2640057A DE 2640057 C3 DE2640057 C3 DE 2640057C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Geräi zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen mit einem Meßfühler, mit zwei von dem Meßfühler gegensinnig beeinflußten Impedanzen und mit wenigstens einem von den Impedanzen beeinflußten Oszillator, wobei der Meßfühler aus einem Differentialkondensator mit zwei festen Elektroden und einer zwischen diesen angeordneten beweglichen Elektrode besteht.
Es ist ein Gerät zum Umwandeln mechanischer Verschiebungen oder Schwingungen in elektrische Strom- oder Spannungswerte bekannt (DE-AS 31 900), bei welchem ein induktiv auf zwei Schwingkreise einwirkender Meßfühler und ein den Schwingkreisen zugeordneter Oszillator vorgesehen sind. Es wird hier die Phasenverschiebung zwischen den Schwingkreisen und dem Oszillator gemessen. Bei diesem Gerät ergibt sich eine nichtlineare Ausgangscharakteristik und ein vergleichsweise niedriger Wirkungsgrad. Das bekannte Gerät ist zum Messen kleiner ■5 mechanischer Verschiebungen wenig geeignet
Es sind an sich verschiedene kapazitive Einstelleinrichtungen vorgeschlagen worden, die insofern alle einen Mangel aufweisen, als die zwischen gegenüberliegenden Elektroden bestehenden mechanischen Bein schränkungen die Endgenauigksit solcher Einrichtungen stark einschränken. Es hat sich insbesondere gezeigt, daß die Ausgangsspannung, die ein Maß für die Verschiebung gegenüberliegender Elektroden ist, auch durch Spaltänderungen zwischen den Elektroden beeinträchtigt wird. Ein wesentliches zu lösendes Problem ist ferner die Art des zu verwendenden Oszillators und die genaue Steuerung der Oszillatorspannung und der Oszillatorfrequenz gewesen, die für eine gute Endgenauigkeit wesentlich ist Die bekannten 2" Einrichtungen dieser Art haben nicht zufriedenstellend gearbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen hohen Wirkungsgrad bei linearer Ausgangscharakterir > stik aufweist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die Vereinigung folgender Merkmale:
a) ein Paar Oszillatoren sind jeweils mit einer Teilkapazität des Differenzialkondensator verbunden,
in b) eine Mischstufe ist vorgesehen, welche ein Frequenzdifferenzsignal der beiden Oszillatoren liefert,
c) an den Ausgang der Mischstufe ist ein dieses Frequenzdifferenzsignal umwandelnder Konverter
Jj angeschlossen, dessen Ausgangssignal ein Maß der
mechanischen Verschiebung darstellt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Gerat weist nur einen sehr
-in kleinen Meßfehler auf. E.s besitzt ferner einen hohen Wirkungsgrad, wobei Störgrößen vermieden sind. Das Gerät besitzt eine sehr große Empfindlichkeit und eine sehr gute Linearität.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung ■Γ. an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 ein Blockdiagranim, welches die grundsätzliche Anordnung eines erfindungsgemäßen Gerätes zum Messen kleiner Änderungen zeigt,
jii F i g. 2(a) ein Schaltbild, teilweise als Blockschaltbild, welches die wesentlichen Teile des Gerätes nach F i g. t zeigt,
F i g. 2(b) ein Äquivalentschaltbild eines Quarz-Oszillators nach F i g. 2(a), und
j j Fig. 3(a) bis 3(c) Blockschaltbilder, welche verschiedene Beispiele des erfindungsgemäßen Gerätes zeigen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Es enthält Fühler 1 und 2, von denen jeder seine elektrische Konstante, wie z. B. seine Kapazität, hu seine Induktivität oder seinen Widerstand, in Abhängigkeit einer physikalischen Änderung eines zu messenden Gegenstandes ändert. 3 und 4 sind Oszillatorstufen, die jeweils mit den Fühlern 1 und 2 verbunden sind. Jeder Oszillator ändert seine Schwingungsfrequenz in Abhänn ι gigkeit von einer Änderung der elektrischen Konstante des zugehörigen Fühlers. Der Fühler 1 oder 2 kann ein Ausgangssignal erzeugen, das eine Änderung einer elektrischen Größe ist, wie z. B. eine Spannung oder ein
Strom. In diesem Falle sollten die Oszillatoren 3 und 4 durch solche ersetzt werden, die in Abhängigkeit von Änderungen einer elektrischen Größe der entsprechenden Fühler arbeiten.
Einer der beiden Fühler 1 und 2 kann fortfallen ( der Fühler 2 in F i g. 1). In diesem Falle hält einer der beiden Oszillatoren 3 und 4 (Oszillator 4 in Fig. 1) seine Ausgangsfrequenz konstant.
Die Oszillatoren 3 und 4 sind bezüglich ihres Frequenzganges, ihrer Driftcharakteristik usw. gleich. Wenn infolgedessen zwei einander in ihrer charakteristischen Änderung gleiche Impulse den Oszillatoren 3 und 4 jeweils zugeführt werden, werden die Ausgangsfrequenzen dieser Oszillatoren mit gleicher Geschwindigkeit oder durch die gleiche Frequenz geändert. Die Ausgangsfrequenzen der Oszillatoren 3 und 4 werden einer Mischstufe 5 zugeführt, in welcher diese Frequenzen gemischt werden, um ein Schwebungsfrequenzsignal zu erzeugen. Dieses SchweLungsfrequenzsignal wird in eine Spannung oder in einen impuls umgewandelt, und zwar durch einen Konverter 6, wodurch analoge oder digitale Meßdaten f erhalten werden.
Die Übertragung der Signale zwischen den verschiedenen Stufen des Gerätes wird mit Hilfe von Drahtleitungen bewirkt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, oder es erfolgt die Übertragung auf drahtlosem Wege, wie es später beschrieben wird.
Wenn angenommen wird, daß die Oszillatorstufen 3 und 4 Frequenzen Fio und F20 aufweisen, kann die Zwischenfrequenz oder Schwebungsfrequenz (f) durch die folgende Gleichung(1) dargestellt werden:
/'in —
Wenn der Fühler 2 nicht betätigt wird, so daß die Schwingungsfrequenz Fjo unverändert gehalten wird, daß heißt, wenn nur der Fühler 1 betätigt wird, um eine physikalische Änderung der zu untersuchenden Substanz zu messen, wird die Schwingungsfrequenz Fto der Oszillatorstufe 3 auf eine Schwingungsfrequenz Fw geändert, die durch die folgende Gleichung (2) dargestellt werden kann:
f„,
--- F11,
'1 /Ί
Hier bedeutet δ die Frequenzänderungsgeschwindigkeit aufgrund der Messung der physikalischen Änderung und infolgedessen ist ό Fi ο der Wert der Frequenzänderung der Schwingungsfrequenz Fu).
Wenn angenommen wird, daß die Frequenzen F20 und Fi 1 eine Zwischenfrequenz /Ί hervorrufen, so ist:
= (/-'in - F211) 1-
in eine Schwingungsf'equenz F'. Da die beiden Oszillatorstufen in ihrer Arbeitscharakteristik gleich sind, sind die Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeiten ε im wesentlichen gleich, und es kann die Frequenz ί F'durch die folgende Gleichung (4) dargestellt werden:
Es wird auf diese Weise der Wert der Frequenzänderung ό Fm in bezug auf die Differenz der Frequenzen der beiden Oszillatorstufen erhalten.
Wenn die Kreiskonstanten und dergleichen jeder Oszillatorstufe sich ändern, wird ihre Schwingungsfrequenz S geändert, oder sie verschiebt sich mit einer Frequenzänderungsgeschv.indigkeit ε (im folgenden als Fehlerfrequenzänderungsgcschwindigkeit ε bezeichnet)
= F(I +
Wenn die Frequenz Fio in die Frequenz Fn mit der in Frequenzänderungsgeschwindigkeit δ geändert wird aufgrund der physikalischen Änderung des zu messenden Gegenstandes, wie es vorher beschrieben wurde, so ist:
F1,, 'F11 = F10(I 4
Wenn in dem Falle, in dem die Frequenz Fn mit der Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeit ε geändert wird, die resultierende Frequenz mit Fu, bezeichnet .1C wird, dann ergibt sich aus den Gleichungen (4) und (5):
F11, -Fn 'Fn = Fn (1 +ι)
= F111(I + ΛΧΙ + '.)
■-= F11, + F11,; + F|„(l 1 Λ), .
in In dieser Gleichung ist der Gesamtwert der Frequenzänderungen durch die zweiten und dritten Gieder dargestellt, und der Wert der Frequenzänderung aufgrund der Verschiebung (im folgenden als Wert der Fehlerfrequenzänderung bezeichnet) ist durch das dritte
>-. Glied
F„, (I + A), .
Wenn in dem Falle, in dem die Schwingungslrequenz ■in einer der beiden Oszillatorstufen (Oszillatorstufe 4 in F i g. 1) eine Frequenzänderung mit der Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeit ε erhält (anstelle einer Frequenzänderung mit der Frequenzänderungsgeschwindigkeit δ), wird das Ausgangsergebnis mit Γ π bezeichnet, und es ist dann:
F;„ -» F21, = F211 (1-f-).
,0 Wenn dieses in Gleichung (1) eingesetzt wird, dann ergibt sich:
./■ = Fn - F21,
--- !Find + A) - F2,,: (I I- ,)
= (Fi.) - FiU + AF111)(I l· .·)
·■■ /' = ./' f F111A + (F10A + ,·», . (7)
In dieser Gleichung (7) stellen die zweiten und dritten Glieder den Gesamtwert der Frequenzänderungen dar, während das dritte Glied den Wert der Ff>h!erfrequenz- -, änderung darstellt.
Nun wird der Fall, in welchem der Wert der Frequenzänderung aufgrund der physikalischen Änderung mit einem είηζίκβη Oszillator gemessen wird, mit
dem Fall verglichen, in weichem sie mit zwei Oszillatoren gemessen wird, wobei der Wert der Fehlerfrequenzänderung in Betracht gezogen wird.
Das Ausgangsergebnis in dem vorher beschriebenen Fall kann dargestellt werden durch Gleichung (6)l
/■",,■ - F10(I -i ,)(! 4- Λ)
während das A'isgangsergebnis im letzteren Fall durch die Gleichung (7) dargestellt werden kann:
Wenn die Wirkung der Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeit auf das Ausgangsergebnis, das in beiden Fällen gleich ist, eliminiert wird und nur das Verhältnis der Ausgangsfrequenzen in jedem Fall betrachtet wird, so ist im vorigen Faile
und im letzteren Falle
/7/ - 1
F11,
S
(8)
(9)
2(1
Wie sich aus dem Vergleich dieser Gleichungen (8) und (9) ergibt, ist das Verhältnis der Ausgangsfrequenzen im letzteren Falle Fio//-mal so groß wie dasjenige im vorigen Fall. Es kann also mit einem Paar Oszillatorstufen die physikalische Änderung des zu messenden Gegenstandes deutlicher und genauer gemessen werden. Somit ist im vorigen Falle die Konstruktion des Gerätes verhältnismäßig einfach, während im letzteren Falle bei Verwendung eines Paares von Oszillatoren zur Erzeugung von Schwebungsfrequenzen der Wirkungsgrad des Gerätes verbessert werden kann.
Ein Beispiel der Anordnung von wesentlichen Teilen in dem in Fig. 1 gezeigten Gerät, ist in Fig.2 (a) dargestellt. In diesem Beispiel besitzen die Oszillatorstufen 3 und 4 Quarzoszillatoren X1 und X2 zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die jeweils im Frequenzgang stabil sind.
Das Ersatzschaltbild jedes Quarzoszillators, wie es in F i g. 2(b) gezeigt-ist, enthält eine Reihenschaltung eines Widerstandes R, einer Induktivität L und einer Kapazität C, und es ist eine Kapazität Co der Reihenschaltung parallelgeschaltet. Die Schwingungsfrequenz des Quarzoszillators kann dadurch geändert werden, daß eine Kapazität in Reihe oder parallel zu den Klemmen Pt und P2 des Ersatzschaltbildes geschaltet wird.
Die in Fig.2(a) gezeigte Schaltung enthält ferner Kapazitäten, die aus Leiterplatten 11, 12 und 13 bestehen. Diese Kapazitäten werden verwendet, um die Schwingungsfrequenzen der Quarzoszillatoren ΛΊ und Xi zu ändern. In dem Falle jedoch, in welchem es gefordert wird, physikalische Größen, wie Licht, Wärme, Druck, Konzentration und Dichte anstelle von mechanischen Abmessungsänderungen zu messen, kann es manchmal schwierig sein, diese Größen unmittelbar als Kapazitätsänderung zu messen. Diese Schwierigkeiten können überwunden werden durch Umwandlung der physikalischen Größen in Kapazitätsänderungen.
Die Leiterplatten 11 und 12 sind mechanisch festgelegt, während die Leiterplatte 13 beweglich gelagert ist, so daß sie durch die Bewegung eines zu messenden Gegenstandes bewegt werden kann. Wenn
65 beispielsweise die bewegliche Leiterplatte 13 nacl abwärts bewegt wird (wie in Fig. 2(a) gezeigt), urn zwar in Abhängigkeit von der Bewegung des Gegen stands, so wird der Abstand /wischen der bewegliche! Leiterplatte 13 und der oberen festen Leiterplatte ! vergrößert, während der Abstand zwischen de beweglichen Leiterplatte 13 und der unteren feststehen den Leiterplatte verringert wird. Als Ergebnis wird di< Kapazität parallel zum Quarzoszillator ΛΊ verringert wodurch die Schwingungsfrequenz dieses Oszillator; erhöht wird, während die Kapazität parallel zurr Quarzoszillator X2 vergrößert und damit die Schwin gungsfrequenz dieses Oszillators verringert wird Entsprechend nehmen di>- Ausgangsfrequenzen dei Oszillatoren 3 und 4 zu bzw. ab, wodurch dit Ausgangsfrequenz der Mischstufe (Fig. 1) ansteigt Wenn umgekehrt die bewegliche Leiterplatte 13 nacr aufwärts bewegt wird, nimmt die Frequenz de: Mischstufe 5 ab.
Die Bewegung der beweglichen Leiterplatte 13 kanr entweder durch Biegen oder Verschwenken der Platt« 13 selbst erreicht werden, oder sie kann begleitet seir von einer Schwingung oder einer Rotation, oder sie kann auch durch Schwingung oder Rotation bewirk! werden. Wenn die feststehende Leiterplatte 11 bzw. 12 und die bewegliche Leiterplatte 13 miteinander ausgetauscht werden oder wenn eine der feststehender Leiterplatten 11 und 12 entfernt wird, so kann die Ausgangsfrequenz einer der Oszillatorstufen 3 und 4 fest sein oder unverändert gehalten werden.
Die F i g. 3(a) bis 3(c) zeigen drahtlose Übertragungssysteme für die Übertragung der Ausgangsfrequenzsignale der Oszillatorstufen 3 und 4. Es wird daraul hingewiesen, daß verschiedene Vorrichtungen für die Hochfrequenzverstärkung, die Modulation, die Demodulation usw., die üblicherweise in einem drahtlosen Übertragungssystem verwendet werden, in den F i g. 3(a) bis 3(c) der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Wenn infolgedessen in den F i g. 3(a), 3(b) und 3(c) die Antennen unmittelbar miteinander verbunden weiden, können die drahtlosen Übertragungssysteme in Drahtübertragungssysteme umgewandelt werden. Der gestrichelte Pfeil neben jedem Oszillator 4 soll bedeuten, daß die Frequenz eines der Oszillatoren 3 und
4 (Oszillator 4 in den F i g. 3(a) bis 3(c) veränderbar oder fest ist.
In der Schaltung nach Fig.3(a) wird das Ausgangssignal der Oszillatorstufe 3 der Mischstufe durch die Antennen auf drahtlosem Wege übertragen, und es wird dann mit dem Ausgangssignal der Oszillatorstufe 4 in der Mischstufe 5 gemischt. Das resultierende Ausgangssignal der Mischstufe 5 wird dem Konverter 6 zugeführt, um ein Meßergebnis (I)zu erhalten.
In der Schaltung nach Fig.3 (b) werden die Au;gangssignale der Oszillatorstufen 3 und 4 in der Mischstufe 5 gemischt, und es wird das Ausgangssigna! der Mischstufe 5 zu dem Konverter 6 auf drahtlosem Wege übertragen, um ein Meßergebnis (f)za erhalten.
In der Schaltung nach Fig.3 (c) werden die Ausgangssignale der Oszillatorstufen 3 und 4 getrennt auf drahtlosem Wege zur Mischstufe 5 übertragen, und es wird das resultierende Ausgangssignal der Mischstufe
5 dem Konverter 6 zugeführt, um ein Meßergebnis (I) zu erhalten.
In der Schaltung nach F i g. 3 arbeiten die Oszillatoren 3 und 4 in Verbindung mit den beiden veränderbaren Kapazitäten, die durch die feststehenden Leiterplatten 11 und 12 und die bewegliche Leiterplatte 13 gebildet
werden, wodurch die Ausgangsfrequenzen in unter schiedlicher Weise geändert werden. Dann werden die beiden Ausgangsfrequcv/'-r durch die Mischstufe 5 gemischt, um so ein Differenzsignal zu bilden. Die Änderung in der Frequenz dieses Differenzsignais ist über einen gewissen Frequenzbereich linear.
Wenn also eine Verschiebung des Gegenstandes stattfindet, welcher die bewegliche Leiterplatte 13 betätigt, wird das Signal, dessen Frequenz in Abhängigkeit von dem Wert dieser Verschiebung verändert wird, durch die Mischstufe 5 ausgegeben.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, wird bei der vorliegenden Erfindung die Schwingungsfrequenz der Oszillatorstufen geändert, und es werden die Ausgangssignale von zwei Oszillatorstufen gemischt, um ein Schwebungs-Frequenzsignal zu erzeugen. Somit wird die Meßgenauigkeit vergrößert durch Verwendung der Hochfrequenzoszillatoren, und es wird das leicht zu behandelnde Niederfrequenzsignal als Ausgangssignal erhalten. Durch geeignete Auswahl der Arbeitscharakteristiken der beiden Oszillatorstufen ist es möglich, die Wirkung der Frequenzverschiebung im wesentlichen auszuschalten und ein Gerät zum Messen kleiner Änderungen zu erhalten, das eine ausgezeichnete Linearität aufweist. Wenn erforderlich, ist es möglich, einen Arbeitskreis wegzulassen und dadurch das Gerät in ein Gerät zum Messen kleiner Änderungen umzuwandeln, das nicht lineare Ausgangscharakteristiken besitzt.
Außerdem kann der Meßfehler beträchtlich verringert werden durch die Verwendung der Oszillatoren, deren Charakteristiken einander gleich sind.
Wenn die Kapazität aus wenigstens einem Paar feststehender Platten und wenigstens einer beweglichen Platte besteht, und zwar in solcher Weise, daß eine feststehende Platte und die bewegliche Platte mit einem Oszillator verbunden sind, während die andere feststehende Platte und die bewegliche Platte mit dem anderen Oszillator verbunden sind, besitzt das Gerät zur Messung einer kleinen Änderung eine viel größere Empfindlichkeit und eine bessere Linearität als ein solches Gerät, in welchem eine Kapazität und ein Oszillator kombiniert sind.
In dem Fall, in dem die Ausgangssignale der Oszillatoren drahtlos übertragen werden, können der das Signal messende Abschnitt und der das Signal behandelnde Abschnitt drahtlos miteinander gekoppelt werden.
Die Verwendung einer Modulation in. der drahtlosen Übertragung ist erfolgreich zur Verhinderung von Signalindifferenzcn.
Wenn der Ausgang des Gerätes in Analogdaten umgewandelt wird, kann er mit einem üblichen Meßgerät wiedergegeben werden. Wenn der Ausgang einer Digital-Umwandlung unterbrochen wird, kann er leicht mit Hilfe eines Digitalcomputers verarbeitet werden, der umfassender angewendet wird als ein Analog-Computer. In bezug auf diese Digital-Umwandlung benötigt das bekannte Gerät zum Messen einer kleinen Änderung einen teuren Analog-Digital-Konverter, um ein Digitalsignal zu erhalten, da es ein Analog-Ausgangssignal liefert. Demgegenüber benötigt das erfindungsgemäße Gerät keinen Analog-Digital-Konverter.
Hierzu 2 BIaIt

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Gerät zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen mit einem Meßfühler, mit zwei von dem Meßfühler gegensinnig beeinflußten Impedanzen und mit wenigstens einem von den Impedanzen beeinflußten Oszillator, wobei der Meßfühler aus einem Differentialkondensator mit zwei festen Elektroden und einer zwischen diesen angeordneten beweglichen Elektrode besteht, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:
a) ein Paar Oszillatoren (3,4) sind jeweils mit einer Teilkapazität (13, 11; 13, 12) des Differentialkondensators (11, 12,13) verbunden,
b) eine Mischstufe ist vorgesehen, welche ein Frequenzdifferenzsignal der beiden Oszillatoren (3,4) liefert,
c) an den Ausgang der Mischstufe (5) ist ein dieses Frequenzdifferenzsignal umwandelnder Konverter (6) angeschlossen, dessen Ausgangssignal ein Maß der mechanischen Verschiebung darstellt.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorstufen (3, 4) bezüglich der Arbeitscharakteristik gleich sind.
3. Gerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorstufe (3, 4), die Mischsiufe (5) und der Konverter (6) durch Signalübertragungswege miteinander verbunden sind, von denen wenigstens einer ein drahtloser Signalübertragungsweg ist.
4. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem drahtlosen SignalUbertragungsweg Modulations- und Demodulationsstufen enthalten sind.
5. Geräi nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufe (5) eine mit dem Ausgang der Oszillatorstufe (3, 4) und eine mit dem Eingang des Konverters (6) verbundene Antennenslufe enthält.
6. Gerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter als Frequenz-Analog-Wandler ausgebildet ist.
7. Gerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter als Frequenz-Digital-Wandler ausgebildet ist.
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