DE2952825A1

DE2952825A1 - Kapazitives und beruehrungsfrei arbeitendes messystem

Info

Publication number: DE2952825A1
Application number: DE19792952825
Authority: DE
Inventors: John J Bowers; Thomas Harold Lecklider
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Gould Inc
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1979-03-30
Publication date: 1980-09-04
Also published as: GB2041540A; IT8086216A0; US4190797A; FR2454084B1; FR2454084A1; JPS54133368A; GB2041540B; CA1138113A; IT1148230B; EP0004757A1

Description

-40-

TISCHER · KERN & BREHM

Albert-Roaenaupter-Strasse 65 0 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 Telex 05-212284 patsd Telegramme Kernpatent München

GOULD INC., 8. April 1980

10 Gould Center, GD-23

Rolling Meadows, Illinois 60008
U. S. A.

Kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßsystem

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßsystem, das insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zum Messen der Oberflächeneigenschaften eines Werkstückes geeignet ist.

Kapazitiv und berührungsfrei arbeitende Meßsysteme verwenden eine berührungsfrei arbeitende Sonde, die im Ergebnis mit einem Werkstück einen variablen Kondensator bildet, dessen Kapazität sich mit dem Abstand zwischen dem Werkstück und

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der Sonde verändert. Es sind verschiedene Methoden verwendet worden, um diese Kapazität zu messen, und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das eine Anzeige für den Sonden-Werkstück-Abstand darstellt. Beispiele für eines dieser Verfahren sind in den US-Patentschriften 3 716 782 und 3 775 679 angegeben; dieses Verfahren benutzt die variable Kapazität zur Modifizierung der Frequenz eines Oszillators, welche Frequenzänderung zur Erzeugung eines den Abstand angebenden Ausgangssignals benutzt wird. Nach einem zweiten Vorschlag ist ein Kondensator bekannter Kapazität vorgesehen, und die Sonden-Werkstück-Kapazität wirkt als ein Spannungsteiler; hierbei verändert sich das Verhältnis der Spannungen über beiden Kondensatoren, wenn sich die variable Kapazität ändert, und das Ausgangssignal des Spannungsteilers wird verarbeitet und üblicherweise in eine Anzeige des Abstandes zwischen der Sonde und dem Werkstück übergeführt.

Entsprechend ihrem weitesten Umfang wird mit der vorliegen* den Erfindung ein kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßsystem bereitgestellt, das aufweist:

eine Anzahl Sonden, von denen jede benachbart zu einem Werkstück angeordnet werden kann, so daß mit dem Werkstück ein Kondensator bestimmter Kapazität gebildet wird, deren Wert eine Funktion des Sonden-Werkstück-Abstandes ist, eine Anzahl Ausgangssignalschaltungen, von denen jede einzelne einer bestimmten Sonde zugeordnet ist, um als Folge auf ein zugeführtes elektrisches Signal ein der

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Kapazität zwischen Werkstück und jeweiliger Sonde entsprechendes Signal nach bekannten Eigenschaften der jeweiligen Ausgangssignalschaltung zu erzeugen, eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Information betreffend die bekannten Eigenschaften jeder dieser Ausgangssignalschaltungen, und

eine Pro-zeßeinrichtung zur Ermittlung einer dem Sonden-Werkstück-Abstand entsprechenden Größe aus dem Signal, das von der, der jeweiligen Sonde zugeordneten Schaltung erzeugt worden ist,

welche Ermittlung in jedem Falle die gespeicherte Information betreffend die bekannten Eigenschaften der jeweiligen Ausgangssignalschaltung berücksichtigt.

Obwohl die Erfindung in ihrem weitesten Umfang sowohl auf I'requenzmodulationsverfahren wie auf Amplitudenabgreifsysteme anwendbar ist, wird die Erfindung nachfolgend mit Bezugnahme auf ein Amplitudenabgreifsystem erklärt und erläutert, d.h. mit Bezugnahme auf ein System, bei welchem die Kapazität eines Kondensators, welcher aus einem Werkstück un3 einer im Abstand dazu angeordneten Sonde gebildet ist, deren Wert eine Funktion des Sonden-Werkstück-Abstandes ist, mit der Kapazität eines bekennten Kondensators verglichen wird, deren Wert der Sonde zugeführt wird, indem ein oszillierendes elektrisches Signal zwischen dem bekannten Kondensator und dem Werkstück erzeugt wird, und
die Amplitude des an der Sonde gebildeten Signals erfaßt wird, welche Amplitude von der Beziehung zwischen der Sonden-

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Werkstück-Kapazität und der bekannten Kapazität abhängt, und ein Maß für den Sonden-Werkstück-Abstand darstellt.
Entsprechend einem dieser Systeme wird mit der Erfindung ein System bereitgestellt, das aufweist:
eine Anzahl Sonden, von denen jede mit einem Kondensator bekannter Kapazität verbunden ist,

einen Oszillator, der jeder dieser Sonden ein oszillierendes Signal zuführt,

eine Anzahl Ausgangssignalschaltungen, von denen jede mit einer dieser Sonden verbunden ist, um das dort gebildete Signal zu empfangen, welches Signal eine für den Sonden-Werkstück-Abstand an der jeweiligen Sonde repräsentative Amplitude aufweist,

eine Speichereinrichtung zur Speicherung der Information betreffend die bekannten Ubertragungseigenschaften jeder Ausgangssignalschaltung, und

eine mit den Ausgangssignalschaltungen und der Speichereinrichtung verbundene Prozeßeinrichtung, welche für jede
dieser Sonden aus dem dort gebildeten Signal eine dem Sonden-Werkstück-Abstand entsprechende Größe ermittelt,
welche Ermittlung in jedem Falle die gespeicherte Information betreffend die Ubertragungseigenschaft der jeweiligen Ausgangssignalschaltung berücksichtigt.

Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung und als eine bevorzugte Ausführung des oben genannten Gesichtspunktes an-

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zusehen, wird mit der Erfindung ein kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßgerät bereitgestellt, zu dem gehören: eine Anzahl Kopfanordnungen, von denen jede Kopfanordnung eine Anzahl Sondenanordnungen aufweist; eine Anzahl mit jeder dieser Kopfanordnungen verbundenen Multiplexereinrichtungen zur Abtastung jeder Sonde in der jeweiligen Kopfanordnung, mit welcher die Multiplexereinrichtung verbunden ist;

eine mit jeder dieser Multiplexereinrichtungen verbundene zentrale Multiplexereinrichtung zur Abtastung der Ausgangssignale jeder dieser Multiplexereinrichtungen; und eine mit dem Ausgang dieser zentralen Multiplexereinrichtung verbundene zentrale Prozeßeinheit zur Erzeugung von Auegangssignalen, welche eine Funktion des Abstandes zwischen jeder dieser Sonden in jeder dieser Kopfanordnungen und einem Werkstück darstellen.

Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Würdigung der nachfolgenden Erläuterung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, welche schematisch anhand der Zeichnungen dargestellt ist; dort zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Meßsystems;

Fig. 2 ein detailliertes Blockdiagramm einer der Kopfanordnungen nach Fig. 1; und

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Fig. 3 ein schematisches Diagramm eines Sondenverstärkers.

Zu dem mit Fig. 1 dargestellten Meßsystem gehören zwei Segmente, nämlich die entfernt angeordnete Einheit oder Meßeinheit 10, und die Steuer- oder Zentraleinheit 12. Die Meßeinheit 10, welche die Sondenelemente gemeinsam mit den entsprechenden Schaltungen hält, ist zumeist so angeordnet, daß sie in unmittelbare Nähe zu dem zu prüfenden Werkstück kommt. Die Zentraleinheit 12 enthält die gemeinsame Signalverarbeitungsausrüstung und, wahlweise, eine Anzeigeeinheit 48 für das Ausgangssignal. Die Meßeinheit und die Steuereinheit sind über einen Abschnitt des Kabels 14 verbunden.

Die Meßeinheit besteht aus einer Anzahl Kopfanordnungen 16. Der exakte Aufbau der Kopfanordnungen wird im einzelnen mit Bezugnahme auf Fig. 2 dargestellt und beschrieben. Es kann jede beliebige Anzahl von Kopfanordnungen benutzt werden; für ein Gerät mit digitaler Verarbeitung hat sich jedoch eine Anzahl von 16 Kopfanordnungen als gut geeignete Zahl erwiesen. Jede dieser Kopf anordnungen enthält eine Anzahl von Sonden, einen kapazitiven Spannungsteiler für jede Sonde, und einen Verstärker, welcher jeden Spannungsteiler puffert und die Ausgangsimpedanz verringert. Der Ausgang jeder Kopfanordnung ist mit einer Analog-Multiplexer- und Pufferschaltung 18 verbunden. Ein Ausgang von jeder dieser Analog-Multiplexer-und Pufferschaltungen 18 ist

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mit einem Analog-Multiplexer und Puffer 20 verbunden. Die Analog-Multiplexer 18 tasten nacheinander j ede Sonde aus deren Anzahl innerhalb derjenigen Kopfanordnung ab, mit welcher der jeweilige Analog-Multiplexer 18 verbunden ist. Der Analog-Multiplexer 20 tatstet nacheinander jeden der Multiplexer 18 ab. Auf diese Weise wird eine nacheinander erfolgende Abtastung aller Sonden durchgeführt. Das Ausgangssignal des Analog-Multiplexer 20 ist eine Folge von Signalen, die jeweils die Kapazität zwischen einer der Sonden und dem Werkstück anzeigen, welche Signale sich in einer bekannten Reihenfolge befinden.

Das System ist sehr empfindlich gegenüber Kapazitätsänderungen und kleinen Änderungen in den Toleranzen der Bauteile, welche die Schaltungen aufbauen. Diese Empfindlichkeit ist besonders bemerkenswert für die Verstärker für jede Sonde. Durch Präzisionsherstellung und Eichung der einzelnen Verstärker könnten die gleichen Schaltungseigenschaften erzielt werden. Diese Präzision erfordert jedoch einen geld- und zeitraubenden Aufwand. Die vorliegende Erfindung überwindet die Notwendigkeit für diesen Aufwand mit einer Reihe von programmierbaren Festwertspeichern (PKOM's) 22. Jeder der Verstärker ist geprüft und es werden zwei Schaltungskonstanten, K,,. und K~ (wie sie nachfolgend erläutert sind), festgelegt, die bezeichnend für die Änderungen der Toleranzen der Teile innerhalb der Verstärker- und Sondenanordnung sind. Für jeden Verstärker in jeder dieser Kopfanordnungen sind die beiden entsprechenden Konstanten in den entsprechenden

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PROM'g 22 programmiert.

Jeder der PROM's 22 weist einen Ausgang auf, der mit einem Digital-Multiplexer 24 verbunden ist. Wenn die beiden Multiplexer 20 und 24 von den gleichen Signalen auf der vom Bedienungspult herkommenden Steuerlei-tung 26 adressiert sind, dann bilden die Ausgangssignale der Multiplexer eine Folge von Signalen entsprechend der Ausgangsspannung von jedem der Kopfanordnungsverstärker an der Leitung 28 und die entsprechenden Schaltungskonstanten für diese Verstärker an der Leitung 30.

Betrachtet man nun die Steuereinheit 12, so ist ersichtlich, daß die für die relative Kapazität oder den Sonder>-^!'/erkstück-Abstand bezeichnende Analogspannung über die im Kabel 14 befindliche Leitung 28 in die Steuereinheit 12 gelangt. Das Signal gelangt zuerst zu der automatisch auf Null steuernden Steuerschaltung 32. Diese Steuerschaltung wirkt nicht auf die Analogspannung ein, vielmehr handelt es sich um eine selbsttätige Lichschaltung, welche in der Lage ist, zwischen den Abtastvorgängen den Eingang en der Leitung 28 ehrr -^holten und diejenige Leitung zu erden, welche in die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung führt. Sobald der Mikroprozessor 34 einen Befehl an die automatisch auf Null steuernde Steuerschaltung sendet, um den Einsang der Signalverorbeitungsschaltungsanordnung zu erden, wird das Ausganges!gnal entsprechend auf Null eingestellt» Auf diese V/eise wir-5 c*ie

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Schaltungsanordnung in dem Steuerschaltungssystem 12 selbsttätig geeicht.

Ferner befindet sich in der Steuereinheit 12 ein Oszillator 52, Der Oszillator erzeugt eine Schwingspannung hoher Frequenz mit sehr starr gesteuerter Amplitude. Zum Beispiel hat sich eine Frequenz von 200 kHz und Spitze-Spitze-Spannung von 12 V als zufriedenstellend erwiesen. Das Oszillatorausgangssignal wird über den Oszillatorpuffer 5^ dem Eingang jedes Sondenverstärkers in jeder dieser Kopfanordnungen 16 zugeführt.

Das Ozillatorsignal wird jeder dieser Analog-Multiplexer/ Puffer 18 zugeführt. Dies ermöglicht es, daß die Oszillatorspannung periodisch von jedem der Analog-Multiplexer zum Zwecke einer selbsttätigen erneuten Eichung abgetastet wird. Zum Beispiel kann der Oszillator selbsttätig erneut geeicht bzw. rekalibriert werden, indem die Oszillatorspannung einmal bei jeder Abtastung der 15 Sonden innerhalb eines dieser Köpfe abgetastet wird. Zur Eichung des Oszillators 52 ist eine Schaltung mit selbsttätiger Vestärkersteuerung vorgesehen. Wenn einer dieser Analog-Multiplexer 18 die Qezillatorspannung abtastet, dann bewirkt ein über die vom Mikroprozessor 34 kommende Steuerleitung geliefertes Signal auch, daß die Schaltung 56 mit selbsttätiger Verstärkungssteuerung die Ausgangsspannung des Gleichrichterfilters 36 mit einer Bezugsgleichspannung 58 vergleicht. Sofern die Spannungswerte nicht passen, stellt die Schaltung 56 mit

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selbsttätiger Verstärkungssteuerung die starr gesteuerte Oszillatorspannung entsprechend ein.

Sobald eine Messung durchgeführt wird, werden die Analog-Spannungssignale auf der Leitung 28 durch die Schaltung 32 der Gleichrichter- und Filterschaltung 36 zugeführt. Das in der Gleichrichter- und Filterschaltung 36 ankommende Signal wird in der Form eines Schwingspannungssignals vorliegen, dessen Amplitude bezeichnend für den Sonden-Werkstück-Abstand ist. Die Schaltung 36 richtet dieses Schwingsignal zuerst mit einem Vollwellengleichrichter gleich und filtert daraufhin das gleichgerichtete Signal, um einen stationären Zustand oder eine Analog-Gleichspannung zu erzeugen, welche hinsichtlich ihrer Amplitude proportional zu dem Sonden-Werkstück-Abstand ist. Dieses Analog-Signal, V , gelangt zu einer Dividierschaltung 40 und zu einer Subtrahierschaltung 42. Für jede Spannung V entsprechend einer der Sonden liest der Mikroprozessor auf der Leitung 30 die Konstanten K^ und K^ für die jeweilige gleiche Sonde ab und führt die Konstante K- einem Digital/Analog-Wandler 44 zu. Das Ausgangssignal des Digital/Analog-Wandlers 44 bildet ein zweites Eingangssignal für die Subtrahierschaltung 42· Das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung 42, ^Kp""^Vo' ^un<* das Ausgangssignal der Gleichrichter- und Filterschaltung 36, V_o, werden beide der Dividierschaltung 40 zugeführt. Die Schaltung 40 teilt das Ausgangssignal der Gleichrichterund i'ilterschaltung durch das Ausgangssignal der Subtrahier-

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schaltung. Das Ausgangssignal der Dividierschaltung wird anschließend einem Analog/Digital-Wandler 46 zugeführt, welcher das von der Dividierschaltung 40 erzeugte Verhältnis in ein Digitalsignal überführt und dieses dem Mikroprozessor 34 zuleitet. Der Mikroprozessor 3^ multipliziert dieses Signal mit der Konstante K,., um das fertige Signal zu erzeugen, welches mit dem Ausdruck

^K1^Vo

^K2-^Vo

wiedergegeben werden kann. Wie nachfolgend erläutert, entspricht der Wert dieses Ausdruckes dem Abstand zwischen der Sonde und dem Werkstück. Dieser Wert wird zumeist in einen Zwischenspeicher im Mikroprozessor gegeben. Aus dem Zwischenspeicher wird dieser Wert ausgelesen und einer Anzeigevorrichtung zugeführt, wie sie etwa in den US-Patentanmeldungen 855 128 oder 855 522 dargestellt sind, oder dieser Wert wird anderen geeigneten Anzeigevorrichtungen zugeführt, oder dieser Wert wird einer Speichervorrichtung zugeführt, um für einen späteren Abruf aufgezeichnet zu werden.

Anstatt die tatsächlichen Sonden/Werkstück-Abstände zu berechnen, kann der Mikroprozessor Jeden Abstandswert mit einer Folge von vorgewählten Werten vergleichen. Zum Beispiel kann ein standardisiertes Werkstück, das exakt die geforderten Toleranzen erfüllt, benachbart zur Sondenanordnung angeordnet werden, und die vom Mikroprozessor 34 berechneten Abstandswerte können im Mikroprozessor 3^ gespeichert werden; oder

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der Mikroprozessor könnte mit idealen Werten programmiert werden. Der Mikroprozessor kann dahingehend programmiert werden, daß er die für jedes nachfolgende Werkstück erhaltenen Abstandswerte von den Werten des Standards subtrahiert und die Abweichung vom Standard anzeigt. Die Anzeige kann eine gerade Linie sein, sofern das Werkstück perfekt ist; während Abweichungen von &r Geraden nach oben eine Ausbeulung und Abweichungen von der Geraden nach unten eine Vertiefung bzw. einen Eindruck anzeigen. Alternativ kann, je nach den Anforderungen einiger Qualitätskontrollkriterien, etwa wenn ein Meßwert außerhalb der Toleranzen liegt, oder ein Abschnitt oder eine Anzahl von Abständen vom Standard um mehr als einen akzeptablen Mittelwert abweicht, oder entsprechend anderen geeigneten Kriterien ein Annahmesignal oder Zurückweisungssignal erzeugt werden, welches Signal die selbsttätig arbeitende Ausrüstung zur Handhabung der Werkstücke dahingehend beeinflußt, das Werkstück entweder zu einem Haufen oder Stapel für akzeptierte Werkstücke oder zu ehern Haufen oder Stapel für nicht-akzeptierte Werkstücke zu leiten.

Die Fig. 2 zeigt in einer Großdarstellung eine der Kopfanordnungen 16 und den dazugehörigen Aufbau. In jeder Kopfanordnung befindet sich eine Anzahl von Sondenelementen Es kann jede beliebige zweckmäßige Anzahl von Sondenelementen 60 vorgesehen werden; für die Anwendung in Digitaleinrichtungen haben sich jedoch 15 Sonden pro Kopfanordnung als sehr zweckmäßig erwiesen, da dabei ein 16-Bit-Analog-Multi-

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plexer 18 zur Abtastung der Ausgänge der 15 Sonden und zur Abtastung der Oszillatorspannung für Eichzwecke ausreichend ist. Die Sondenanordnung und das Werkstück 62 werden in enge Nachbarschaft zueinander gebracht. Im Ergebnis bilden dann die Sonde und das Werkstück die Platten eines variablen Kondensators. Sofern eine Sonde 60 und das Werkstück 62 näher aufeinander zu bewegt werden, wird die Kapazität dieses Kondensators ansteigen; und je weiter Sonde und Werkstück voneinander entfernt werden, desto stärker wird die Kapazität abnehmen, so daß im Ergebnis eine variable Kapazität resultiert. Jede dieser Sonden-Werkstück-Kapazitäten bildet gemeinsam mit einem der Kondensatoren 6Λ einen kapazitiven Spannungsteiler für die Schwingspannung des Oszillators 52. Zwischen jeweils zwei dieser kapazitiven Elemente ist der Eingang von einem der Verstärker 66 angeschlossen. Ersichtlich weist der Eingang jedes Verstärkers eine höhere Spannung auf, wenn die wirksame Kapazität zwischen den Stellen 60 und 62 abnimmt, sowie eine niedrigere Amplitudenspannung, wenn die wirksame Kapazität zwischen den Stellen 60 und 62 ansteigt. Die Ausgangsspannung jedes Verstärkers 66 wird deshalb eine Funktion der Kapazität zwischen der zugeordneten Sonde 60 und dem Werkstück 62 darstellen, was mit anderen Worten ausgedrückt, eine Funktion des Abstandes zwischen einer der Sonden 60 und dem Werkstück 62 darstellt.

Es ist weiterhin zu beachten, daß beste Ergebnisse dann erzielt werden, wenn der Kondensator 64 temperaturstabil ist.

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Da der Kondensator 64 als eine Bezugskapazität benutzt wird, ermittelt der Spannungsteiler im Ergebnis das Verhältnis der beiden Kapazitäten. Deshalb soll die Kapazität des Kondensators 64 leicht bestimmbar sein und soll sich im Verlauf des Meßvorganges aus Gründen wie etwa Temperaturschwankungen nicht ändern. Ein Quarzkondensator hat sich für diesen Zweck als geeignet erwiesen. Die Kapazität des Kondensators 64 ist zumeist vergleichbar mit der mittleren Sonden-Werkstück-Kapazität, welche eine Funktion der Sondengröße, dec mittleren Sonden-Wer kstück-Abstaides und dgl. ist; eine Kapazität von 0,35 pf hat sich als wirksam erwiesen.

Ein für die Anwendung als Verstärker 66 geeigneter stabiler Verstärker ist mit Fig. 3 dargestellt. Vom Mittelpunkt des kapazitiven Spannungsteilers, der aus dem Kondensator 64 und der Sonden-Werkstück-Kapazität gebildet ist, ist der Verstärkereingang mit dem Gate des FET 70 verbunden. In Reihe mit dem FET 70 ist eine Konstantstromquelle geschaltet, welche nach einer bevorzugten Ausführungsform aus einem Paar FET's 72 und 74 besteht. Ebenfalls in Reihe mit der Konstantstromquelle und dem FET 70 ist eine Leitung 76 mit einer Vorspannungsquelle verbunden, die eine positive Vorspannung von beispielsweise + 15 V liefert; ferner ist eine Leitung 78, ebenfalls in Reihe mit der Konstantstromquelle und dem FET 70, mit einer Vorspannungsquelle verbunden, die eine negative Vorspannung von beispielsweise -15 V liefert, jeweils gemeinsam mit den Vorspannungswiderständen 80 und

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Diese erste Verstärkungsstufe weist dagegen eine sehr niedrige Eingangskapazität und eine sehr hohe Impedanz auf. Beim Einsatz von Bootstrapp, sorgfältigem Schaltungsaufbau und Schutzmaßnahmen kann die Eingangskapazität in der Größenordnung von 0,01 pF gehalten werden. Am Widerstand 84 liegt als Ausgang der ersten Stufe eine Spannung an, welche eine Funktion des Sonden-Werkstück-Atetandes darstellt.

Die zweite Verstärkerstufe wird von den beiden Transistoren 86 und 88 gebildet. Diese beiden Transistoren erzeugen eine zweistufige Verstärkung des Signals am Widerstand 84 und erzeugen ein Ausgangssignal auf der Leitung 9 0_t das wiederum eine Funktion des Sonden-Werkstück-Abstandes darstellt.

Zum Beispiel gehören zu Transistoren, die im oben genannten System compatibl sind, die Ausführungsformen 2N4416 für die FET's 70 und 72, 2N4338 für den FET 74, 2N3904 für den Transistor 86 und 2N3906 für den Transistor 88.

Der Durchmesser der Sonde resultiert aus solchen Faktoren wie dem Abstand zwischen zwei angestrebten Abtastpunkten und dem voraussichtlichen mittleren Sonden-Werkstück-Abstand. Hinsichtlich ihres Durchmessers soll die Sonde groß genug sein im Vergleich mit dem Abstand zwischen der Sonde und dem Werkstück, so daß kapazitive Randeffekte minimal werden; d.h., je kleiner der Sondendurchmeseer, desto näher soll sich das Werkstück an der Sonde befinden. Um deshalb die Auflösung

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bei der Messung des Sonden-Werkstück-Abstandes zu steigern, ist ein großer Sondendurchmesser wünschenswert. Je größer jedoch der Sondendurchmeseer ist, desto größer wird der Abstand zwischen den Abtastpositionen. Ersichtlich muß hinsichtlich des Bereichs der Sondendurchmesser ein Kompromiß erreicht werden. Sondendurchmesser von 0,1 Zoll (2,54mm), 0,25 Zoll (6,4 mm), und 0,50 Zoll (12,7 mm) haben sich als brauchbar erwiesen. Eine Sonde mit einem Durchmesser von 2,54 mm hat sich beispielsweise zur Überwachung eines Werkstückes bei einem Werkstück-Sonden-Abstand im Bereich von 5 bis 25 mil (0,127 bis 0,635 mm) als brauchbar erwiesen und ergibt eine Genauigkeit in der Größenordnung von 10 Mikrozoll (250 nm).

Betrachtet man nun die Theorie und die mathematischen Grundlagen, welche dem System zugrundeließen, so arbeiten, wie oben herausgestellt ist, die Kondensatoren 64 und die Kapazität zwischen jeder Sonde 60 und dem Werkstück 62 (vgl. I¹Ig. 2) als ein Spannungsteiler. D.h., die Eingangsspannung am Verstärker 66 wird sich zu der Spannung des Oszillators verhalten, wie die Kapazität des stabilen Bezugskondensators 64 zu der Gesamtkapazität des Kondensators 64 + der Sonden-Werkstück-Kapazität. In einer mathematischen Gleichung ausgedrückt, resultiert daraus der Ausdruck:

Ο)

^{A V}osc ^Cin

^Cin⁺V^CP

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V ■ die Ausgangsspannung des Verstärkers 66, A ■ Verstärkungsfaktor des Verstärkers 66,

V - die Spannungsamplitude des Oszillatorausgangs,

O SC

C. - die Kapazität des Kondensators 64,

C ■ die innere Kapazität des Verstärkers 66, und E

C ■ die Kapazität zwischen der Sonde 60 und dem Werkstück 62.

Nimmt man an, daß die Sonde 60 und das Werkstück 62 im Ergebnis einen Kondensator mit parallelen Platten bilden, dann kann die Kapazität zwischen 60 und 62 wie folgt wiedergegeben werden:

K - eine Konstante, welche sowohl die relative

Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen der Sonde und dem Werkstück berücksichtigt, wie die wirksame Fläche der Sonde 60, und

D ■ der Abstand von Sonde zu Werkstück.

Kombiniert man obige Gleichungen (1) und (2), so kann der Sonden-Werkstück-Abstand wie folgt wiedergegeben werden:

VK

(3)

^{A V}osc ^Cin - ^Vo

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Betrachtet man Gleichung (5)1 so ist ersichtlich, daß abgesehen von V alle anderen Ausdrücke bestimmte physikalische Eigenschaften des Systems wiedergeben. Diese Eigenschaften können berechnet oder gemessen werden. Im Hinblick auf die geforderte Genauigkeit hat es sich als viel schneller und genauer erwiese:*, die Eigenschaften jedes Verstärkers zu messen, anstelle diese Ausdrücke einzeln zu berechnen. Damit kann für jeden Verstärker der Abstand reduziert werden auf:

Vo
(4) D -

K,. und Kp jeweils physikalisch meßbare Eigenschaften

des Verstärkers darstellen.
Im einzelnen gilt:

^{A V}osc ^Cin

und

^Cin^+Cg ^Cin^+Cg

Die Konstanten K^ und Kp können auf verschiedenen Wegen gemessen werden, etwa nach dem Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate oder durch Messung der Ausgangsspannungen V für verschiedene bekannte Abstände von D und Lösung der mathematischen Ausdrücke für die Werte von Kp und K^.. Die Werte von K^j und Kp stellen die Konstanten dar, die weiter oben in Verbindung mit dem gesamten System, wie es mit Fig. 1 dargestellt ist, diskutiert worden sind; diese Konstanten werden im PROM 22 gespeichert, der mit jedem einzelnen Verstärker 66 verbunden ist.

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Das oben beschriebene System gewährleistet viele Verbesserungen gegenüber anderen Amplitudenerfassungssystemen und Frequenzmodulationssystemen. Einer der Vorteile ist im Fortfall von parallelen Teilen zu sehen. Viele der bekannten Systeme benötigen einen Oszillator und eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung für jede Sonde. Im Gegensatz dazu weist das beschriebene System einen einzigen Oszillator und eine einzige Signalverarbeitungsschaltung für eine große Anzahl von Sonden auf. Ein zusätzlicher Vorteil des Systems ist in seiner Temperaturstabilität zu sehen. Die Änderungen in der Kapazität zwischen den Sonden und dem Werkstück sind im allgemeinen sehr klein, weshalb die kapazitiv arbeitenden Meßsysteme sehr empfindlich gegenüber Fehlern sind, die aus Temperaturänderungen und Streukapazitäten resultieren. Es ist festgestellt worden, daß kleine Temperaturänderungen in vielen Systemen große Veränderungen hervorrufen. Im vorliegenden System erhöhen die sehr niedrige Eingangskapazität und die hohe Impedanz des Verstärkers mit Verstärkung eins die Temperaturstabilität. Es hat sich gezeigt, daß der beschriebene Verstärker eine Genauigkeit von 0,1% über einen Temperaturbereich von 35 bis 150⁰F (+2 bis 65⁰C) aufweist.

Wegen seiner Temperaturstabilität und anderer überlegener Eigenschaften seiner Ausgestaltung ist das beschriebene System zur Messung sehr kleiner Abstandsänderungen befähigt. Es können Abstände von einigen 1/1 000 000 Zoll (25 nm) festgestellt werden. Diese große Präzision ist erforderlich zur

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Messung vieler Oberflächeneigenschaften wie etwa Geradlinigkeit oder Übereinstimmung mit einer Kontur. Das vorliegende Meßgerät findet einfache Anwendung zur Bestimmung^ der Ebenheit von Teilen, die mittels Maschinenformerei, mittels Stanzen, Pressen oder Prägen, im Gußverfahren oder durch maschinelle Bearbeitung erhalten worden sind, ferner zur Messung der Zylindrizität von Zylinderwänden oder Bohrungen, und zur Prüfung der Übereinstimmung mit bestimmten Konturen, etwa von komplexen Teilen wie Stufenwellen, Tragflächen bzw. i'lügelprofilen und Turbinenschaufeln.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist deren Fähigkeit zur Durchführung schneller Messungen. Obwohl die Geschwindigkeit von der Anzahl der benutzten Sonden abhängen wird, ist festgestellt worden, daß mit 240 Sonden die vorliegende Erfindung zumeist eine Anzeige über die Übereinstimmung eines Werkstückes an 240 Positionen innerhalb 5 see liefern kann.Diese Geschwindigkeit erhöht die Präzision der Meßinstrumente, da die Oberflächenkontur des Werkstückes an einersolch großen Anzahl von Punkten abgetastet werden kann. Weiterhin erlaubt diese Schnelligkeit, daß die Prüfausrüstung eine große Anzahl von Werkstücken in einer relativ kurzen Bearbeitungszeit überprüft.

Das vorliegende System weist einen weiteren Vorteil dahingehend auf, daß die große Anzahl von Sonden in einer linearen Anordnung oder in einer gitterförmigen Anordnung oder längs

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einer Windungskontur oder in nahezu jeder beliebigen
anderen Konfiguration angeordnet werden kann. Eine lineare Anordnung erzeugt jedoch die am einfachsten zu verstehende zweidimensionale Anzeige einer Oberflächenkontur. Da bei
linearer Anordnung 200 oder mehr Punkte längs einer einzigen Berührungslinie zu dem Werkstück ausgemessen werden
können, kann das System eine sehr detaillierte, zweidimensionale, querschnittsartige Darstellung der Oberfläche
längs der Linie engster Nachbarschaft zwischen dem Werkstück und der Linie der Sonden liefern. Das Werkstück kann verschoben oder gedreht werden, um andere Linienabschnitte längs seiner Oberfläche darzustellen.

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PAT Ξ NTAMWALTE BISCHER · KERN a BREHM Albert-Roeshaupter-Straese 65 D 8000 München 70 Telefon (069) 7605520 Telex 05-212284 palsd Telegramme Kompetent München

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Kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßsystem

Zusammenfassung:

Ein kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßsystem, das aufweist:

eine Anzahl von Kopfanordnungen (16), von denen jede mit einer Anzahl Sonden (60) ausgestattet ist, eine Anzahl Kondensatoren (64) bekannter Kapazität, von denen jeweils einer mit jeder Sonde (60) verbunden ist, und eine Anzahl von Verstärkerausgangssignalschaltungen (66), von denen jeweils eine mit jeder Sonde (60) verbunden ist.

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Ein Oszillator (52) führt Jeder Sonde-Kondensator-Kombination ein Schwingsignal zu, um an der Sonde (60) ein Signal zu erzeugen, das von den relativen Größen der Sonden-Werkstück-Kapezität und der bekannten Kapazität des Kondensators (54) abhängt.

Ein jeder Kopfanordnung (16) zugeordneter Multiplexer (18) erster Ordnung tastet die Ausgangssignale jeder, den jeweiligen Sonden (60) in jeder Kopfanordnung (16) zugeordneten Verstärkerausgangsschaltung (66) ab, und ein Multiplexer (20) zweiter Ordnung tastet die Multiplexer (18) erster Ordnung ab.

Eine Anzahl von PROM's (22), von denen jeder einer bestimmten Kopfanordnung (16) zugeordnet ist, und Information betreffend die Ubertragungseigenschaften der dieser jeweiligen Kopfanordnung (16) zugeordneten Verstärkerausgangsschaltungen (66) speichertest so angeordnet, daß diese PROM's (22) von einem Multiplexer (24) angrenzend mit der Abtastung der Ausgangssignale der Verstärkerausgangssignalschaltungen (66) abgetastet werden.

Eine Prozeßeinheit (12) empfängt die abgetasteten Ausgangssignale und die entsprechend abgetastete Information bezüglich der Übertragungseigenschaft und bildet daraus eine dem jeweiligen Sonden-Werkstück-Abstand entsprechende Größe. Zur Prozeßeinheit (12) gehören ferner Anordnungen zur (a) selbsttätigen Eichung der Prozeßeinheit und (b) zur selbsttätigen Eichung des Oszillatorausgangssignals.

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Leerseite

Claims

TISCHER ■ KERN & BREHM Atbert-Roeehaupter-Straeee 65 D 8000 München 70 Telefon (089) 7605520 Telex 05-212284 patsd Telegramme Kernpalent München GOULD INC., 8. April 1980 10 Gould Center, GD-23 Rolling Meadows, Illinois 60008 U. S. A. Kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßsystem Patentansprüche:

1.1 Kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßsystem mit einer Anzahl Sonden,

von denen jede benachbart zu einem Werkstück angeordnet werden kann, um gemeinsam mit dem Werkstück einen Kondensator bestimmter Kapazität zu bilden, deren Wert eine Funktion des Sonden-Werkstück-Abstandes ist, einer Anzahl Ausgangssignalschaltungen, von denen jede einzelne einer bestimmten Sonde zugeordnet ist, um als Folge euf ein zugeführtes elektrisches Signal ein der Kapazität zwischen Werkstück und jeweiliger Sonde

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ORIGINAL INSPECTED

entsprechendes Signal nach bekannten Eigenschaften der
Ausgangssignalschaltung zu erzeugen,

einer Speichereinrichtung zur Speicherung von Information, betreffend die bekannten Eigenschaften jeder Ausgangssignalechaltung, und

einer Prozeßeinrichtung zur Ermittlung einer dem Sonden-Werkstück-Abstand entsprechenden Größe aus dem Signal, das von der, der jeweiligen Sonde zugeordneten Ausgangssignalschaltung erzeugt worden ist,

2. Kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßsystem,
welches die Kapazität eines Kondensators, welcher aus einem Werkstück und einer im Abstand dazu angeordneten Sonde gebildet ist, deren Wert eine Funktion des Werkstück-Sonden-Abstandes ist, mit der Kapazität eines bekannten Kondensators vergleicht, deren Wert der Sonde zugeführt wird, indem ein oszillierendes elektrisches Signal zwischen dem bekannten
Kondensator und dem Werkstück erzeugt wird, und
die Amplitude des an der Sonde gebildeten Signals erfaßt
wird, welche ihrerseits von der Beziehung zwischen der
Sonden-Werkstück-Kapazität und der bekannten Kapazität
abhängt, und ein Maß für den Sonden-Werkstück-Abstand
darstellt,

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wobei das Meßsystem aufweist:
eine Anzahl Sonden,

von denen Jede mit einem Kondensator bekannter Kapazität verbunden ist,

einen Oszillator, der jeder dieser Sonden ein oszillierendes Signal zuführt,

eine Anzahl Ausgangssignalschaltungen, von denen jede mit einer bestimmten Sonde verbunden ist, um das dort gebildete Signal zu empfangen, welches Signal eine zum Sonden-Werkstück-Abstand an der jeweiligen Sonde repräsentative Amplitude aufweist,

3· Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, mit einer zusätzlichen Multiplexereinrichtung, die Ausgangesignale jeder Ausgangssignalschaltung abtastet und die dabei gebildeten Signale der Prozeßeinrichtung zuführt,

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welche Multiplexereinrichtung darüberhinaus zur Abtastung der zugeführten elektrischen Signale mit dem Ziel, diese zu kalibrieren, ausgerüstet ist,
einer Bezugssignalquelle, und

einer Einrichtung zur Einstellung des zugeführten elektrischen Signals entsprechend der Beziehung zwischen dem Wert des abgetasteten Signales und dem Wert des Bezugssignals.

4. Meßsystem nach Anspruch 3» bei welchem die Anzahl der Sonden in einer Anzahl von Kopfanordnungen angeordnet ist, von denen jede eine Anzahl Sonden aufweist, eine Anzahl Multiplexereinrichtungen erster Ordnung, jeweils einer bestimmten Kopfanordnung zugeordnet ist, um die Ausgangssignale der darin angeordneten Sonden abzutasten, eine Multiplexereinrichtung zweiter Ordnung vorhanden ist, um die Ausgangssignale der Anzahl Multiplexereinrichtungen erster Ordnung abzutasten,

die Speichereinheit eine Anzahl Speicherplätze aufweist, von denen jeder einzeln einer bestimmten Kopfanordnung aus deren Anzahl zugeordnet ist, und

Informationsspeicher-Multiplexereinrichtungen vorhanden sind, um von den jeweiligen Speicherplätzen die Information betreffend die Eigenschaften der Ausgangssignalschaltungen gleichlaufend mit der Abtastung der entsprechenden Ausgangssignalschaltung durch die Multiplexereinrichtungen erster und zweiter Ordnung zu entnehmen.

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5. Meßsystem nach Anspruch 3 oder 4, mit

einer zusätzlichen Kalibriereinrichtung, welche das Ausgangssignal der Multiplexereinrichtung auf eine vorgegebene Spannung bringt, welche zur Kalibrierung der Prozeßeinrichtung benutzt wird.

6. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5» bei welchem

jede der Ausgangssignalschaltungen einen Verstärker mit niedriger innerer Kapazität und hoher Impedanz aufweist, welcher Verstärker mit der entsprechenden Sonde verbunden ist,

welcher Verstärker einen FET aufweist, dessen Gate mit der entsprechenden Sonde verbunden ist, und dessen Source-Drain-Strecke in Reihe mit einer Konstant-Stromquelle geschaltet ist, die zwei in Reihe geschaltete FET's aufweist.

7. Meßsystem nach Anspruch 6, bei welchem

jeder dieser Verstärker zusätzlich eine zweite Verstärkungsstufe aufweist, deren Eingang mit einer Stelle zwischen dem zuerst genannten FET und der Konstant-Stramquelle verbunden ist, und

deren Ausgang bei Einsatz von Bootstrapp mit dem Gate des zuerst genannten FET verbunden ist.

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8. Meßsystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7» hei welchem sofern von Anspruch 2 abhängig,

für jede dieser Ausgangssignalschaltungen die Informationsspeichereinrichtung so ausgebildet ist, daß sie zwei Konstanten K^. und Kp speichert,

welche Konstanten mit den nachstehenden Ausdrücken definiert sind,

^Cin^+Cg

· eine Funktion der Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen der Sonde und dem Werkstück und des wirksamen Oberflächenbereichs der Sonde;

C. - der Wert der bekannten Kapazität;

C ■ der Wert der inneren Kapazität der jeweiligen Ausgangssignalschaltung;

A - der Verstärkungsfaktor der jeweiligen Ausgangssignalschaltung; und

OSC

die Amplitude des oszillierenden, elektrischen Signals;

und wobei die Prozeßeinrichtung dahingehend ausgebildet ist, den Wert des Ausdrucks ^Ki^v _o ^zu berechnen, um den Sonden-

Werkstück-Abstand für jede dieser Sonden zu bestimmen,

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wobei K,. und Κ« die beiden oben angegebenen Konstanten sind, und V die Amplitude des am Ausgang der signalschaltung auftretenden Signals ist.

und V die Amplitude des am Ausgang der jeweiligen Ausgangs-

9. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer zusätzlichen Speichereinrichtung zur Speicherung von Information betreffend einen vorgegebenen Sonden-Werkstück-Abstand für jede dieser Sonden, und

eine mit dieser Speichereinrichtung und mit der Prozeßeinrichtung verbundene Einrichtung zur Ermittlung eines Abweichungssignals bezüglich jeder dieser Sonden, welches Abweichungssignal der Differenz zwischen dem jeweiligen Sonden-Werkßtück-Abstand, wie er von der Prozeßeinrichtung bestimmt worden ist, und dem jeweiligen, vorgegebenen Sonden-Werkstück-Abstand entspricht.

10. Kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßgerät, mit einer Anzahl Kopfanordnungen,

von denen jede Kopfanordnung eine Anzahl von Sondenanordnungen aufweist;

einer Anzahl Multiplexereinrichtungen, von denen jeweils eine mit jeder dieser Kopfanordnungen verbunden ist, um jede Sonde in der Kopfanordnung abzutasten, mit welcher diese Multiplexereinrichtung verbunden ist; eine mit jeder dieser Multiplexereinrichtungen verbundene zentrale Multiplexereinrichtung zur Abtastung der Ausgangssignale jeder dieser Multiplexereinrichtungen; und

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eine mit dem Ausgang dieser zentralen Multiplexereinrichtung verbundene zentrale Prozeßeinheit zur Erzeugung von Ausgangssignalen, welche eine Funktion des Abstandes zwischen jeder dieser Sonden in jeder dieser Kopfanordnungen und einem Werkstück bilden.

11. Meßgerät nach Anspruch 10, zusätzlich aufweisend, eine Anzahl von Speichereinrichtungen, von denen jede mit einer dieser Kopfanordnungen verbunden ist, um Information bezüglich der Eigenschaften der Kopfanordnung zu speichern, welcher sie zugeordnet ist; und eine mit diesen Speichereinrichtungen verbundene Speichermultiplexereinrichtung zur Abtastung der Ausgangssignale dieser Speichereinrichtungen in Übereinstimmung mit diesen Multiplexereinrichtungen, so daß die Speichermultiplexereinrichtung die mit einer dieser Kopfanordnungen verbundene Speichereinrichtung zum gleichen Zeitpunkt abtastet, wo die zentrale Multiple-xereinrichtung die der gleichen Kopfanordnung zugeordnete Multiplexereinrichtung abtastet; wobei der Ausgang dieser Speichermultiplexereinrichtung mit der Prozeßeinheit verbunden ist, so daß die Prozeßeinheit die gespeicherte Information bei der Erzeugung dieser Ausgangseignale berücksichtigen kann.

12. Kapazitiv und berührungsfrei arbeitendes Meßgerät zur Messung des Abstandes zwischen einer Anzahl von Sondenelementen und einem Werkstück an einer Anzahl von Stellen,

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welches Meßgerät aufweist:

eine Anzahl so angeordneter Sondenelemente, daß sich deren eines Ende benachbart zu dem Werkstück befindet; eine elektrische Energiequelle;

eine kapazitiv arbeitende Einrichtung zur Verbindung dieser elektrischen Energiequelle mit einem zweiten Ende jedes Sondenelementes ;

mit dem zweiten Ende jeder dieser Sondenelemente verbundene Ausgangssignaleinrichtungen zur Erzeugung von Eingangssignalen für eine Multiplexereinrichtung; und eine mit den Ausgängen dieser Multiplexereinrichtungen verbundene Prozeßeinrichtung, um der Reihe nach ein Ausgangssignal zu erzeugen, das repräsentativ für den Abstand zwischen jedem dieser Sondenelemente und der Oberfläche des Werkstückes ist.

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