DE4024052A1 - Kapazitiver sensor zur messung geometrischer abweichungen - Google Patents
Kapazitiver sensor zur messung geometrischer abweichungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor zur Messung geometrischer
Abweichungen womit in der metallverarbeitenden Industrie,
insbesondere bei der Präzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung,
im Maschinenbau, Fahrzeugbau, Gerätebau und dgl. Messungen
an Erzeugnissen möglich sind.
Bekannt sind kapazitive Sensoren zur Messung von Abstandsänderungen
bzw. geometrischer Abweichungen, deren physikalisches Prinzip
darin besteht, daß die Kapazitätsänderung durch Veränderung des
Abstandes zwischen einer Meßelektrode und einem Prüfling als
Gegenelektrode genutzt wird.
In DE-OS 31 38 273 und in der Zeitschrift Metall 41. Jg., H.3, 1987,
S. 274-276 werden kapazitive Sensoren beschrieben, bei denen
Abstandsänderungen bzw. geometrische Abweichungen durch einen von
der Prüflingsoberfläche und einer Meßelektrode gebildeten Plattenkondensator
gemessen werden. Nachteil dieser Anordnungen ist,
daß Störgrößen im Meßspalt, wie z. B. Änderungen im Dielektrikum
und Temperaturänderungen, unmittelbar das Meßergebnis verfälschen.
Auch eine gleichwertige Einwirkung von Störgrößen auf die
beiden Meßkapazitäten des in DE-OS 31 38 273 beschriebenen Sensors
hat eine ungewollte Änderung der Frequenzdifferenz zur Folge.
Sollen die Vorteile von differentiellen Auswerteverfahren hier
genutzt werden, so ist ein weiterer Festkondensator in Form eines
elektronischen Bauelements notwendig, der entsprechend der gewünschten
Meßbereiche und Empfindlichkeiten mit großem elektronischem
Aufwand ausgewechselt werden muß. Außerdem ist damit nicht
gewährleistet, daß Störgrößen optimal kompensiert werden können,
weil die Eigenschaften der Festkondensatoren unterschiedliche
Toleranzen besitzen und Festkondensatoren auf Grund ihrer Ummantelung
die jeweils herrschenden Meßbedingungen nicht repräsentieren
können. Das beeinflußt nachteilig die meßtechnischen Eigenschaften,
insbesondere die Nullpunktkonstanz und die Linearität
der statischen Kennlinie.
Ziel der Erfindung ist es, einen Sensor zur Messung geometrischer
Abweichungen zu schaffen, der mit geringem mechanischem und
elektronischem Aufwand an unterschiedliche Meßbereiche angepaßt
werden kann, hohe meßtechnische Anforderungen erfüllt und dabei
zuverlässig arbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor
zur Messung geometrischer Abweichungen zu schaffen, womit
störende Umwelteinflüsse bei der Meßgrößenerfassung, z. B. Luftfeuchte-
und/oder Temperaturänderungen kompensiert werden. Die
Sensorelektronik soll derart mit der Gesamtanordnung kombiniert
werden, daß durch die Einhaltung eines optimalen Arbeitsbereiches
höchste Forderungen hinsichtlich der Empfindlichkeit und der
Linearität der Übertragungskennlinie erfüllt werden. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß durch Kombination eines Plattenabstandskondensators,
einer Differential-Sensorelektronik und eines
festen Referenzkondensators dadurch gelöst, daß in einem Gehäuse
eine isolierte Meßelektrode angeordnet ist, die mit dem in einem
bestimmten Abstand positionierten Prüfling als Meßgegenelektrode
einen Meßkondensator mit einer entsprechenden Meßkapazität bildet.
Unmittelbar hinter der Meßelektrode befindet sich die Differential-Sensorelektronik,
die mit der Meßelektrode und der hinter
der Sensorelektronik angeordneten Referenzelektrode verbunden
ist. Somit liegt die Referenzelektrode in einem relativ geringen
Abstand zur Meßelektrode. Gegenüber der Referenzelektrode befindet
sich in einem definiert einstellbaren Abstand eine Referenzgegenelektrode,
die mit ihr einen Referenzkondensator mit entsprechender
Referenzkapazität bildet. Die Referenzgegenelektrode
liegt auf gleichem Potential wie der Prüfling. Mit dieser kompakten
und einfach aufgebauten Sensoranordnung wurde eine überraschend
hochauflösende Meßanordnung entwickelt, die gegen Umwelteinflüsse
unempfindlich ist und eine gute Linearität der Kennlinie
aufweist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Referenzelektrode
und die Meßelektrode durch einen Isolator mit eingebauter
Abschirmung unmittelbar miteinander fest verbunden sind
und die Differential-Sensorelektronik am Umfang des Gehäuses
angeordnet ist. Damit wird eine weitere Verkleinerung des Sensors
erreicht, so daß eine Anwendung an schwer zugänglichen Meßstellen
möglich ist.
Das Gehäuse ist vorzugsweise im Bereich des einstellbaren Referenzabstandes
zwischen der Referenzelektrode und der Referenzgegenelektrode
mit mindestens einer Öffnung versehen. Die Referenzgegenelektrode
ist mit einer vorzugsweise mechanischen Feinverstellung
gekoppelt. Die Einstellmöglichkeit für den aus Referenzelektrode
und Referenzgegenelektrode gebildeten Referenzkondensator
gewährleistet auf einfache Weise eine elektrische Symmetrierung
der an der Differential-Sensorelektronik anliegenden Meßgrößen
und sichert damit die unaufwendige Anpassung des Sensors
an unterschiedliche Empfindlichkeiten und Meßbereiche sowie geringste
Nichtlinearitäten.
Durch den geringen Abstand von Meßkondensator und Referenzkondensator
sowie durch die Öffnungen im Bereich des Referenzabstandes
herrschen gleiche Umweltbedingungen im Meß- und Referenzspalt.
Damit ist gewährleistet, daß Störgrößen, wie z. B. Luftfeuchte
und Temperaturänderungen, gleichwertig die Meß- und Referenzkapazität
beeinflussen und so durch die Differential-Sensorelektronik
kompensiert werden können. Weiterhin ergibt sich dadurch eine
hohe Nullpunktkonstanz.
Entsprechend dem Anwendungsfall kann die Meßelektrode in ihrer
geometrischen Gestalt der Form des Prüflings beliebig angepaßt
werden, wodurch eine optimale Empfindlichkeit erreicht wird.
Die Erfindung soll nachfolgend an Ausführungsbeispielen und zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 Prinzipdarstellung des kapazitiven Sensors zur Messung
geometrischer Abweichungen.
Fig. 2 Schematische Darstellung des kapazitiven Sensors mit
spezieller Elektrodenanordnung.
In Fig. 1 ist ein kapazitiver Sensor zur Messung von geometrischen
Abweichungen dargestellt, bei dem die Meßelektrode 2 und
die Referenzelektrode 5 fest sowie die Referenzgegenelektrode 6
einstellbar in einem Gehäuse 1 angeordnet sind. Zwischen der
Meßelektrode 2 und der Referenzelektrode 5 befinden sich in
relativ geringem Abstand 1 beider Elektroden zueinander die Differential-Sensorelektronik
4. Die Referenzgegenelektrode 6 ist im
Gehäuse 1 mit einer Feinverstellung 10, z. B. in Form einer
Differentialschraube, gekoppelt. Auf diese Weise bilden die Elektroden
gemeinsam mit dem Prüfling 3 einen Meßkondensator und
einen einstellbaren Referenzkondensator.
Bei Realisierung eines Meßabstandes s1 wird über die Feinverstellung
10 ein Referenzabstand s2 eingestellt, so daß die für die
Auswertung für die Differential-Sensorelektronik 4 bereitgestellten
Grundkapazitäten eine nahezu gleiche Größe besitzen. Damit
besteht sowohl elektrische als auch geometrische Symmetrie, die
die Vorteile der Differential-Sensorelektronik 4 wirksam werden
läßt und eine hohe Nullpunktkonstanz und geringste Nichtlinearitäten
sichert. Bei unterschiedlichen Meßabständen s1 werden die
zugehörigen Referenzabstände s2 eingestellt und damit unaufwendig
die Anpassung der Differential-Sensorelektronik 4 an unterschiedliche
Meßbereiche und Empfindlichkeiten realisiert.
Die Anordnung von Öffnungen 9 im Gehäuse 1 im Bereich des Referenzabstandes
s2 sichert annähernd gleiche Meßbedingungen wie
zwischen Meßelektrode und Prüfling und damit eine optimale
Störgrößenkompensation in der Differential-Sensorelektronik 4.
Die Integration der Differential-Sensorelektronik 4 in den Zwischenraum
(Abstand 1) sichert kürzeste Leiterverbindungen symmetrisch
zur Meß- und Referenzelektrode und damit eine niedrige
Parallelkapazität und eine Abschirmung der Differential-Sensorelektronik
von störenden Umwelteinflüssen, wobei an der Anschlußbuchse
11 ein meßabstandsproportionales Ausgangssignal bereitgestellt
wird.
In Fig. 2 ist ein kapazitiver Sensor zur Messung geometrischer
Abweichungen dargestellt, bei dem die Meßelektrode 2 und die
Referenzelektrode 5 unmittelbar über einen Isolator 7 mit eingebauter
Abschirmung 8 miteinander fest verbunden sind. Die Diffe
rential-Sensorelektronik 4 ist am Umfang des Gehäuses 1 angeordnet.
Bei dieser Anordnung der Elektroden ist ein minimaler
Abstand 1 vorhanden, so daß eine bessere Störgrößenkompensation
erfolgt und eine geringe Baugröße realisiert werden kann.
Verzeichnis der verwendeten Bezugszeichen
1 Gehäuse
2 Meßelektrode
3 Prüfling
4 Sensorelektronik
5 Referenzelektrode
6 Referenzgegenelektrode
7 Isolator
8 Abschirmung
9 Öffnungen
10 mechanische Feinverstellung
11 Anschlußbuchse
s1 Meßabstand
s2 Referenzabstand
1 Abstand zwischen Meßelektrode und Referenzelektrode
2 Meßelektrode
3 Prüfling
4 Sensorelektronik
5 Referenzelektrode
6 Referenzgegenelektrode
7 Isolator
8 Abschirmung
9 Öffnungen
10 mechanische Feinverstellung
11 Anschlußbuchse
s1 Meßabstand
s2 Referenzabstand
1 Abstand zwischen Meßelektrode und Referenzelektrode
Claims (5)
1. Kapazitiver Sensor zur Messung geometrischer Abweichungen in
Kombination eines Plattenabstandskondensators, einer Differential-
Sensorelektronik und eines festen Referenzkondensators,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (1) eine isolierte
Meßelektrode (2), die mit dem in einem definierten Abstand
(s1) positionierten Prüfling (3) als Meßgegenelektrode einen
an sich bekannten Meßkondensator bildet, die Differential-
Sensorelektronik (4), die sich unmittelbar hinter der Meßelektrode
(2) befindet, eine Referenzelektrode (5), die sich unmittelbar
hinter der Differential-Sensorelektronik (4) befindet
sowie zur Meßelektrode (2) einen festen Abstand (1), hat,
und eine Referenzgegenelektrode (6), die auf gleichem Potential
wie der Prüfling (3) liegt sowie einen definiert einstellbaren
Abstand (s2) zur Referenzelektrode (5) einnimmt,
kompakt angeordnet sind.
2. Kapazitiver Sensor zur Messung geometrischer Abweichungen nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (2)
und die Referenzelektrode (5) durch einen Isolator (7) mit
eingebauter Abschirmung (8) miteinander fest verbunden sind
und sich die Differential-Sensorelektronik (4) außerhalb des
Gehäuses (1) befindet.
3. Kapazitiver Sensor zur Messung geometrischer Abweichungen nach
Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (1)
mindestens eine Öffnung (9) vorgesehen ist, die sich vorzugsweise
im Bereich des einstellbaren Referenzabstandes (s2)
zwischen der Referenzelektrode (5) und der Referenzgegenelektrode
(6) befindet.
4. Kapazitiver Sensor zur Messung geometrischer Abweichungen nach
den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzgegenelektrode
(6) vorzugsweise mit einer mechanischen
Feinverstellung (10) gekoppelt ist.
5. Kapazitiver Sensor zur Messung geometrischer Abweichungen nach
den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode
(2) in ihrer geometrischen Gestalt der Form des
Prüflings (3) beliebig anpaßbar ist.
Priority Applications (1)
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