DE3826561A1 - Kapazitiver wegaufnehmer - Google Patents

Kapazitiver wegaufnehmer

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Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Wegaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige kapazitive inkrementale Wegaufnehmer arbeiten nach dem Lineal-Nonius-Prinzip. Ein bekannter Wegaufnehmer ist in Fig. 1 dargestellt. Dabei sind die Kondensatorflächen 1 des Lineals nebeneinander in gleichmäßigen Abständen als einzelne Streifen auf einer Unterlage aufgebracht. In einem Abstand von einigen zehntel Millimetern über dem Lineal sind auf einer weiteren nicht dargestellten Unterlage die Kondensatorflächen 2 des Nonius und ein Koppelkondensator 3 verschiebbar angeordnet. Auch die Kondensatorflächen 2 des Nonius sind streifenförmig und in gleichmäßigen Abständen parallel zu den Kondensatorflächen 1 des Lineals angeordnet. Die Teilung des Nonius ist jedoch geringer als die des Lineals. Im dargestellten Fall beträgt die Teilungsperiode des Nonius ¾ der Teilung des Lineals. Der Koppelkondensator 3 erstreckt sich längs aller Streifen des Nonius.
Eine sinus- oder rechteckförmige Spannung wird an den Koppelkondensator 3 angelegt. Somit entsteht an den Kondensatorflächen 2 des Nonius über die kapazitive Kopplung zwischen dem Koppelkondensator und dem Lineal sowie dem Nonius eine Spannung X 1 bis X 4, welche in den Fig. 2a und 2b dargestellt ist. Entsprechend den geometrischen Verhältnissen der Flächen und Abstände beim Verschieben des Nonius gegenüber dem Lineal sind die Spannungen X 1 bis X 4 gegeneinander phasenverschoben.
In einer nicht dargestellten bekannten Auswerteschaltung werden durch Differenzbildung die Spannungen U 1 und U 2 erzeugt. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Spannungen dient zur Richtungserkennung, die Anzahl der Spannungsspitzen zur Messung der zurückgelegten Weglänge. Bei der Auswerteschaltung kann es sich um eine bekannte Interpolations- und Impulsformelektronik handeln. An sich sind dem Prinzip nach nur vier Kondensatorflächen für den Nonius 2 erforderlich. In Fig. 1 ist die doppelte Anzahl gezeigt, um die Kondensatorflächen zu vergrößern und damit eine höhere Meßsicherheit zu erhalten.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den kapazitiven Wegaufnehmer rotationssymmetrisch auszubilden, so daß Lineal und Nonius gegeneinander verdreht werden können und genaue Meßergebnisse liefern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Patentansprüche in verschiedenen Ausführungsformen gelöst.
Ein wesentlicher Vorteil des rotationssymmetrischen Aufbaus eines derartigen Wegaufnehmers besteht darin, daß er in Haudraulik- oder Pneumatikzylindern bzw. in Ventilen integriert werden kann. Insbesondere kann das Meßsystem ohne weiteres im Hochdruckteil dieser Geräte untergebracht werden, wobei von besonderem Vorteil ist, daß Hydrauliköl eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft hat.
Die einfache rotationssymmetrische Ausführung des Wegaufnehmers (Fig. 4) hat eine Vergrößerung der Kondensatorflächen gegenüber konventionellen linearen Wegaufnehmern zur Folge, so daß sie auch empfindlicher gegenüber äußeren elektrischen Einflüssen sind. Durch die in Fig. 2c dargestellte Differenzbildung der Meßspannungen lassen sich Störeinflüsse verringern. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß eine Phasenmessung vorgenommen, indem die Kondensatorflächen des Nonius paarweise mit einem sinus- bzw. kosinusförmigen Signal angesteuert werden. Je nach Stellung des Nonius gegenüber dem Lineal wird im Koppelkondensator ein zu dem Sinus- oder Kosinussignal phasenverschobenes Signal erzeugt. Da die beiden Signalpaare gegeneinander phasenverschoben sind, werden sie auch zeitlich nacheinander angesteuert und gemessen, da nur eine Meßleitung vorgesehen werden soll. Auch eine Richtungserkennung ist aufgrund der vor- oder nacheilenden Phase der ausgewerteten Signale möglich.
Auch bei Anordnung der Kondensatorflächen des Nonius und des Kopplungskondensators in einem bestimmten Muster zueinander lassen sich die Störeinflüsse erheblich verringern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten linearen Wegaufnehmers,
Fig. 2a, 2b und 2c Darstellungen der Signalformen,
Fig. 3 eine erste Ausführungsform eines rotationssymmetrischen Wegaufnehmers,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Wegaufnehmers in einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 5 einen Teilausschnitt des in Fig. 4 dargestellten Wegaufnehmers,
Fig. 6 eine bevorzugte weitere Ausführungsform des Wegaufnehmers und
Fig. 7 ein Einbaubeispiel.
Gemäß Fig. 3 sind auf einem zylindrischen Körper 5 die Kondensatorflächen 10 des Lineals nebeneinander sich über den Gesamtumfang erstreckend als endlose Ringe ausgebildet, die in bestimmten Abständen nebeneinander angeordnet sind. Die vier Kondensatorflächen 20 des Nonius sowie der zugehörige Koppelkondensator 30 sind auf einem nicht dargestellten gegenüber dem zylindrischen Körper 5 verschiebbaren, sowie drehbaren Ring aufgebracht und liegen somit konzentrisch zum zylindrischen Körper 5. In Fig. 3 sind auch die Anschlußleitungen für den Koppelkondensator 30 und für den Nonius angedeutet. Die Breite der Streifen bzw. Ringe von Lineal und Nonius sind jeweils annähernd gleich.
Zur Absolutwertbildung bzw. Nullpunkteichung des Wegaufnehmers ist eine Referenzmarkierung erforderlich. Hierzu sind auf dem zylindrischen Körper 5 zwei Ringe 6 aufgebracht, die zwischen jeweils zwei Kondensatorflächen 10 des Lineals liegen, jedoch schmaler ausgeführt sind, um eine Unterscheidung zu ermöglichen. Zur Abtastung dienen zwei auf dem gleichen Bauteil wie der Nonius angeordnete Abtaststreifen 7 in Verbindung mit einem Koppelkondensator 8, der wiederum an eine sinus- oder rechteckförmige Spannung wie der Koppelkondensator 30 angeschlossen ist.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die geometrische Anordnung der Flächen des Lineals und des Nonius vertauscht. Die Kondensatorflächen des Lineals 11 sind in zwei Reihen 12 und 13 angeordnet, die beide auf dem zylindrischen Körper 5 aufgebracht sind. In der in Fig. 4 gezeigten Darstellung sind die beiden Reihen 12 und 13 verhältnismäßig schmal. Um die Kondensatorflächen zu vergrößern, können die einzelnen Streifen in jeder Reihe 12 bzw. 13 länger ausgeführt sein und erstrecken sich die Reihen somit um etwa ein Drittel des Umfangs des zylindrischen Körpers 5.
Parallel zu den beiden Reihen 12 und 13 ist ein Koppelkondensator 31 auf dem zylindrischen Körper 5 aufgebracht.
Auf dem zum zylindrischen Körper 5 konzentrischen und verschiebbaren sowie drehbaren nicht dargestellten Ring befinden sich die Kondensatorflächen des Nonius 21. Die einzelnen Flächen sind als endlose Ringe ausgebildet und in gleichmäßigen Abständen angeordnet. Ferner sind auf dem zylindrischen Körper noch Referenzmarken 6 aufgebracht. Der Anschluß der Leitungen X 1 bis X 4 erfolgt an die Kondensatorflächen des Lineals 11.
Ein Ausschnitt der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ist in Fig. 5 gezeigt. Die einzelnen Streifen 11 in der Reihe 12 sind in gleichmäßigen Abständen angeordnet wie auch die Streifen 11 in der Reihe 13. Die Streifen in beiden Reihen 12 und 13 liegen symmetrisch zueinander, so daß die Streifen 11 in der Reihe 13 gegenüber zwei aufeinanderfolgenden Streifen 11 der Reihe 12 um den halben Abstand jeweils versetzt sind.
Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil, die einzelnen Streifen 11 an die Leitungen X 1 bis X 4 ohne Überkreuzung anzuschließen. Wie aus Fig. 5 erkennbar ist, wird jeweils das obere Ende jedes zweiten Streifens 11 in der Reihe 12 an die Leitung X 1 und das untere Ende jedes dazwischenliegenden Streifens an die Leitung X 3 angeschlossen. Entsprechendes gilt für die Anschlüsse der Streifen 11 in der Reihe 13 an die Leitungen X 2 und X 4.
In Fig. 6 ist eine weitere bevorzugte rotationssymmetrische Ausführung dargestellt. Dabei sind die einzelnen Streifen des Lineals 15 in einer einzigen Reihe 16 auf dem zylindrischen Körper 5 angeordnet. Ähnlich den Streifen 11 der Fig. 4 liegen auch die Streifen 15 auf Kreisbögen des Zylinderumfangs, erstrecken sich somit nur über einen Teilabschnitt des Zylinderumfangs. Dies hat den Vorteil, daß das Aufbringen der Streifen erleichtert ist. So lassen sich die Streifen in allen Ausführungsformen entweder auf lithografischem Wege aufbringen oder auf eine Folie, die dann auf den zylindrischen Körper bzw. den verschiebbaren konzentrischen Ring aufgeklebt wird. Der Träger für die Folie sollte vorzugsweise aus einem Material mit niedrigem Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen.
In Fig. 6 trägt der nicht dargestellte verschiebbare und drehbare Ring, der konzentrisch zum Zylinder 5 liegt, ein Muster von einzelnen Kondensatorflächen für den Nonius 22 und den Koppelkondensator 32. Jede Einzelfläche 22 des Nonius sowie jede Einzelfläche 32 des Koppelkondensators ist jeweils etwa halb so groß wie eine der Flächen 15 des Lineals, so daß gewährleistet ist, daß bei einer Drehung zwischen dem Nonius 22 und dem Lineal 15 die Kapazität zwischen den einzelnen Flächen stets konstant bleibt. Hierzu sind die Kondensatorflächen 22 und 32 für Nonius und Kopplungskondensator so verteilt, daß sie abwechselnd auf Kreisbögen aufeinander folgen. Damit ergibt sich auch der Vorteil, daß sie in der in Fig. 5 entsprechenden Weise angeschlossen werden können, ohne daß sich Kreuzungspunkte ergeben. Im übrigen wird für die geometrische Anordnung der Flächen auf die Darstellung in der Zeichnung verwiesen.
Die in Fig. 6 gewählte Anordnung der Kondensatorfläche bietet den Vorteil, daß sie gegenüber äußeren Störeinflüssen verhältnismäßig unempfindlich ist.
Die Empfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen insbesondere infolge der Vergrößerung der Kondensatorflächen läßt sich ferner durch eine abgeänderte Ansteuerung des Wegaufnehmers verbessern. Hierzu wird die Leitung X 1 an eine Spannung Sinus ω t und die Leitung X 3 an eine Spannung Kosinus ω t angeschlossen. Anstelle der Kapazitätsmessung wird dann eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem am Koppelkondensator 30, 31 oder 32 anstehenden Meßsignal und dem Signalpaar an den Flächen des an die Leitungen X 1 und X 3 angeschlossenen Nonius 20, 21, 22 vorgenommen. Dies ergibt die Messung der Weglänge. Für die Richtungserkennung werden die Leitungen X 2 und X 4 an eine um 180° gegenüber X 1 phasenverschobene Spannung Sinus ω t und die Leitung X 4 an eine ebenfalls um 180° gegenüber X 3 phasenverschobene Spannung Kosinus ω t angeschlossen. Die beiden Signalpaare sin, cos und sind gegeneinander phasenverschoben. Da nur eine Meßleitung zur Verfügung steht, werden sie auch zeitlich nacheinander angesteuert und gemessen.
In Fig. 6 ist eine Referenzmarkierung auf induktiver Basis dargestellt. Zwischen den Streifen 15 des Lineals sind mäanderförmige Spulen 60 angeordnet. Auf dem gleichen Ring, auf dem Nonius und Koppelkondensator angeordnet sind, werden Spulen 61, 62 ringförmig angeordnet und in der gleichen Weise wie die Konsdensatorflächen geschaltet.
Der Ring trägt ein Muster aus einzelnen mäanderförmigen Spulen 61 und 62. Jede Einzelspule 61 bzw. 62 ist jeweils halb so groß wie eine der Spulen 60 des Lineals.
Ein Einbaubeispiel des Wegaufnehmers in einen hydraulischen Zylinder ist in Fig. 7 dargestellt. In einem Zylinder 40 ist ein Kolben 41 mit einer Kolbenstange 42 verschiebbar. Die Zu- und Abläufe in die Zylinderräume sind nicht dargestellt. Die Kolbenstange 42 weist eine Ausnehmung 44 auf, in die sich eine an der Kolbenstange 42 befestigte Stange 45 erstreckt. Die Stange bildet den aus Keramik bestehenden Träger für eine Folie, auf die in der bereits erläuterten Weise die Streifen des Lineals 16 entsprechend Fig. 6 aufgetragen sind. In den Zwischenraum zwischen der Ausnehmung 44 und dem Träger 45 taucht ein am Zylinderboden befestigtes Keramikrohr 46, an dessen Ende der Nonius 22 und Koppelkondensator 32 angeordnet ist.

Claims (16)

1. Kapazitiver Wegaufnehmer mit einem mehrere beabstandete Kondensatorflächen aufweisenden Lineal, mit einem mehrere beabstandete Kondensatorflächen unterschiedlicher Teilung im Vergleich zum Lineal aufweisenden Nonius, mit einem Koppelkondensator und mit einer Auswerteschaltung für die zwischen den Kondensatorflächen bei deren relativen Verschiebung auftretenden Meßspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen des Lineals (10, 11, 12, 13, 15) auf einem zylindrischen Körper (5) und die Kondensatorflächen des Nonius (20, 21, 22) auf einem den zylindrischen Körper konzentrisch umgebenden dreh- und verschiebbaren Ring angebracht sind.
2. Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen des Lineals (10) als endlose in sich geschlossene Streifen auf dem zylindrischen Körper ausgebildet sind und die Kondensatorflächen des Nonius (20) und des Koppelkondensators (30) sich jeweils über einen Kreisbogen des Ringes erstrecken (Fig. 3).
3. Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen des Lineals (11, 12, 13) und des Koppelkondensators (31) sich jeweils über einen Kreisbogen des zylindrischen Körpers (5) erstrecken und die Kondensatorflächen des Nonius (21) als endlose in sich geschlossene Streifen auf dem Ring ausgebildet sind (Fig. 4).
4. Wegaufnehmer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen des Lineals (11, 12, 13) in zwei auf unterschiedlichen Kreisbögen liegenden Reihen (12, 13) angeordnet sind, wobei jeweils eine Kondensatorfläche der einen Reihe gegenüber einer Kondensatorfläche der anderen Reihe um den halben Abstand einander benachbarter Kondensatorflächen versetzt angeordnet ist (Fig. 4).
5. Wegaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen (11) in jeder Reihe (12, 13) abwechselnd mit ihrem einen oder anderen Ende an sich quer zu den Kondensatorflächen erstreckenden Leitungen angeschlossen sind (Fig. 4).
6. Wegaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen des Lineals (15) als auf jeweils einem Kreisbogen liegende Streifen ausgebildet sind und die Kondensatorflächen des Nonius (22) und des Kopplungskondensators (32) zueinander ein bestimmtes Flächenverhältnis aufweisen, zusammen kleiner als die Kondensatorflächen des Lineals (15) sind und in einem bestimmten Muster auf dem Ring so angeordnet sind, daß die Flächen bei einer Drehung zwischen dem Lineal und dem Nonius jeweils konstant bleiben (Fig. 6).
7. Wegaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen des Nonius (22) und des Kopplungskondensators (32) jeweils etwa halb so groß sind wie die Kondensatorflächen des Lineals (15) (Fig. 6).
8. Wegaufnehmer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen des Nonius (22) und des Kopplungskondensators (32) abwechselnd aufeinanderfolgend auf dem Ring angebracht sind (Fig. 6).
9. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zylindrischen Körper (5) zur Absolutwerterkennung der Weglänge Referenzmarken (6, 60) aufgebracht sind.
10. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absolutwerterkennung der Weglänge zwischen den Kondensatorflächen des Lineals (10, 11, 15) einzelne Referenzstreifen bzw. induktive Referenzmarken (6, 60) eingesetzt sind.
11. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Nonius (20, 22) aus mindestens vier Kondensatorflächen besteht, von denen zwei zur Weglängenmessung und zwei zur Richtungserkennung dienen (Fig. 3, 6).
12. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungskondensator (30, 31, 32) an eine Wechselspannung angeschlossen ist und die an den Kondensatorflächen des Nonius (20, 21, 22) auftretenden Spannungen (X 1 bis X 4) durch Differenzbildung ausgewertet werden, wobei sich zwei phasenverschobene Spannungen (U 1 = X 1 - X 3 und U 2 = X 2 - X 4) zur Weglängenmessung und Richtungserkennung ergeben.
13. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen des Nonius (20, 21, 22) paarweise an je ein phasenverschobenes Sinus- und Kosinussignal und der Kopplungskondensator (30, 31, 32) an ein Meßsignal angeschlossen ist, wobei die Phasenverschiebung zwischen dem Meßsignal und jeweils einem Sinus-Kosinussignalpaar zur Weglängenmessung und Richtungserkennung ausgewertet wird.
14. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen auf einer Folie aufgebracht sind, die auf dem zylindrischen Körper (5) aufgeklebt ist.
15. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorflächen auf fotolithografischem Weg auf den zylindrischen Körper aufgebracht sind.
16. Wegaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zum Einbau in einen hydraulischen Zylinder, dadurch gekennzeichnet, daß in einer kolbenseitigen Bohrung (44) ein stangenförmiger Träger (45) befestigt ist, der das Lineal (16) trägt und daß ein am Zylinder (40) befestigtes Rohr (46), das den Nonius trägt, in den Ringraum zwischen der Stange (45) und dem Kolben eintaucht.
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