DE3324578A1 - Vorrichtung zur kapazitiven messung einer verschiebung - Google Patents

Vorrichtung zur kapazitiven messung einer verschiebung

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DE3324578A1 DE19833324578 DE3324578A DE3324578A1 DE 3324578 A1 DE3324578 A1 DE 3324578A1 DE 19833324578 DE19833324578 DE 19833324578 DE 3324578 A DE3324578 A DE 3324578A DE 3324578 A1 DE3324578 A1 DE 3324578A1
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    • H03M1/30—Analogue/digital converters pattern-reading type using relatively movable reader and disc or strip with non-weighted coding incremental

Description

'.PARTNER
Patentanwälte ··· european Patent Attorneys 3394578
München ^ £ t Stuttgart
5. Juli 1983
TESA S.A.
Rue Bugnon 38
1020 Renens / Schweiz
Unser Zeichen: T 3626
Vorrichtung zur kapazitiven Messung einer Verschiebung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung einer Verschiebung, insbesondere der Relativverschiebung zwischen dem Maßstab und dem Schieber eines Längen- oder Winkelmeßgeräts, insbesondere bei einem Gerät mit Handbedienung, z.B. eine Schieblehre, eine säulenförmige Lehre oder ein Winkelmesser.
Bei dieser Vorrichtung bekannter Art sind der Maßstab und der Schieber mit Reihen von Elektroden ausgestattet, die in der Richtung der Relativbewegung ausgerichtet sind und derart angeordnet und elektrisch gespeist sind, daß sie durch ihre gegenseitige Zuordnung eine Mehrzahl von elektrischen Kapazitäten bilden, die geeignet sind, ein periodisches Signal zu erzeugen, bei dem die Anzahl von Perioden
proportional zu dor Verschiebung ist, wobei die Elektroden des Schiebers mit einer elektronischen Verarbeitungsschaltung verbunden sind, die geeignet ist, um ein numerisches oder digitales Nutzsignal zu erzeugen, das ein Maß für die gemessene Bewegung ist, und zwar durch Zählen der Anzahl von Perioden und Interpolation innerhalb jeder Periode.
Eine derartige kapazitive Meßvorrichtung ist in der FR-OS 2 411 391 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung ist der Maßstab mit einer Reihe von Elektroden versehen, die gleichmäßig verteilt und elektrisch voneinander isoliert sowie jeweils aus zwei galvanisch gekoppelten Elementen zusammengesetzt sind, von denen das eine eine Detektionselektrode und das andere eine Übertragungselektrode bildet, während der Schieber versehen ist mit wenigstens drei Gruppen von Speiseelektroden, die jeweils an einen Ausgang eines Generators für wenigstens drei Signale angeschlossen sind, um Spannungen zyklischer Art zu empfangen, sowie mit wenigstens einer Empfangselektrode, die an die elektronisehe Signalverarbeitungsschaltung angeschlossen ist.
Bei dieser Anordnung der Elektroden befinden sich die Detektionselektroden des Maßstabs gegenüber der Bewegungsbahn der Speiseelektroden des Schiebers, während die Über- tragungselektroden des Maßstabs sich gegenüber der Bewegungsbahn der Empfangselektrode des Schiebers befinden. Auf diese Weise führt die Bewegung des Schiebers auf dem Maßstab zum Erscheinen eines Signals an der Empfangselektrode, welches ausgehend von wenigstens zwei Signalen erzeugt wird, die nebenexnanderliegenden Speiseelektroden entsprechen, und die Erfassung des Amplitudenverhältnisses der Signale mittels einer Elektronikschaltung ermöglicht die Bestimmung der Stellung des Schiebers in bezug auf den
Maßstab.
35
Diese bekannte Vorrichtung weist den wesentlichen Vorteil auf, daß jegliche Verbindung zwischen dem Maßstab und dem
Schieber vermieden wird, sei es über ein Kabel oder über einen Gleitkontakt, denn derartige Verbindungen könnten die Handhabung oder Wartung behindern.
Diese kapazitive Meßvorrichtung, die auch nach Einfachheits- und Kostengesichtspunkten ausgelegt ist, benötigt jedoch relativ umfangreiche Schaltungsanordnungen größtenteils analoger Art, die notwendigerweise einen Analog/ Digital-Umsetzer benötigen, um eine digitale Meßwertan- IQ zeige zu erhalten, so daß die Vorrichtung einen hohen Stromverbrauch aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, bei einer Vorrichtung der genannten Art eine Vereinfachung der elektronischen Verarbeitungsschaltung zu ermöglichen, so daß diese insbesondere einen geringeren Stromverbrauch aufweisen kann. Auf diese Weise soll insbesondere auch die Anwendung von primären oder Speicherbatterien geringer Kapazität und folglich geringen Volumens ermöglicht werden, um die Abmessungen des Gehäuses zu vermindern, das die Verarbeitungsschaltung und die Stromversorgung beherbergt, wobei jedoch eine lange Betriebsdauer der Vorrichtung ohne Erneuern bzw. Aufladen der Batterie gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden des Maßstabs gleichförmig in der Längsrichtung desselben verteilt sind, daß wenigstens ein Teil der Elektroden des Schiebers in zwei Gruppen eingeteilt ist, die jeweils wenigstens ein Elektrodenpaar enthalten, in welchem die beiden Elektroden voneinander isoliert, über der Ausdehnung der Elektroden des Maßstabs angeordnet und von einem ein Digitalsignal erzeugenden Generator gespeist sind, wobei diese beiden Elektroden ferner um 180° phasenverschoben sind und die beiden Gruppen von Elektroden um 90° phasenverschoben sind, so daß durch ihre Zuordnung mit den
Elektroden des Maßstabs zwei Paare von Meßkapazitäten gegen Masse gebildet sind, bei denen die Evolution der Signale für die Größe und die Richtung der Verschiebung kennzeichnend ist, daß die elektronische Verarbeitungsschaltung
c zwei Gruppen von geschalteten Referenzkapazitäten binärer Wichtung und vom MOS-Typ, welche mit den Meßkapazitäten derart in Brücke geschaltet sind, daß zwei kapazitive Brücken gebildet sind, zwei Komparatoren, von denen jeweils einer an eine dieser beiden Brücken angeschlossen iQ ist, und einen Prozessor vom CMOS-Typ enthält, der zwei mit diesen beiden Komparatoren verbundene Eingänge und zwei mit den beiden kapazitiven Brücken verbundene Rückkopplungsausgänge aufweist und dessen Schaltung Moduln enthält, die geeignet sind, eine digitale Interpolation innerhalb jeder Periode vorzunehmen, indem periodisch unter der Steuerung durch den das Digitalsignal erzeugenden Generator der Abgleich der kapazitiven Brücken durch Schalten der Referenzkapazitäten wiederhergestellt wird, wobei die Stellung der diesen Kapazitäten zugeordneten Schalter bei jedem Abgleich das digitale Äquivalent der Verschiebung wiedergibt und wobei die Zählung der Perioden zwischen diesen Abgleichvorgängen unter Anwendung eines Impulsgenerators erfolgen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Verarbeitung der Analogsignale von den beiden Meßkapazitätspaaren vollständig digital. Hierdurch wird eine wesentliche Vereinfachung und Energieeinsparung erreicht, denn der Analogteil der Elektronikschaltung ist auf die kapazitiven Brücken beschränkt, die im übrigen nur erregt werden, wenn ein MeßVorgang vorgenommen wird und eine Verschiebung des Schiebers auf dem Maßstab erfolgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Evolution bzw. Entwicklung der erzeugten Signale darstellt;
Fig. 3 ein Schaltbild eines Bestandteils der Elektronikschaltung;
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Elektronikschaltung zur Verarbeitung der erzeugten Signale; und
Figuren 5, 6 und 7
Schaltbilder von weiteren Ausführungsformen.
Die in Fig. 1 schematisch insgesamt dargestellte kapazitive Meßvorrichtung ist gebildet aus einem bei diesem Ausführungsbeispiel geradlinigen Maßstab 1, z.B. an einer Schieblehre, einem beweglichen und in üblicher Weise längs des Maßstabs 1 verschiebbaren Schieber 2, z.B.
wie der Schieber bei einer Schieblehre, und einer elektronischen Versorgungs- und Verarbeitungsschaltung 3, die in ein mit dem Schieber 2 fest verbundenes Gehäuse integriert sein kann.
Der Maßstab 1 ist mit einer Reihe von Elektroden E. versehen, die in Längsrichtung desselben gleichförmig verteilt und alle mit Masse verbunden sind. Diese Elektroden sind rechtwinklig, und der jeweils zwischen zwei Elektroden liegende Abstand b ist gleich ihrer Breite a. Auf diese Weise ist ein linearer Maßstab gebildet, der eine periodische Wiederholung jeweils eines durch eine Elektrode E1 gebildeten Basisleiterelements bildet, mit einer Wiederholungsperiode 1, die gleich der Summe der Elektro-
denbreite a und des Abstandes b zwischen den Elektroden ist: 1 = a + b.
Der Schieber 2 ist mit zwei Gruppen von Elektroden A und B versehen, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Elektrodenpaaren A1 - B1 bzw. A„ - B0 enthalten; bei der gezeigten Ausführungsform ist diese Anzahl gleich drei. Diese beiden Gruppen von Elektroden A und B sind in Längsrichtung des Maßstabs 1 beabstandet, und die beiden Elektroden A1 und A9 bzw. B1 und B0 jedes Elektrodenpaares sind voneinander isoliert, in Querrichtung des Maßstabs voneinander beabstandet und jeweils an einen ein Digitalsignal erzeugenden Generator angeschlossen, der in die Elektronikschaltung 3 integriert ist.
Die Elektroden A1, A9, B1 und B0 des Schiebers 2 weisen in jeder Gruppe A und B dieselbe Breite a und denselben Abstand b voneinander auf wie die Elektroden E1 des Maßstabs; in der Querrichtung sind sie so angeordnet, daß sie die von diesen Elektroden E1 eingenommene Zone überdecken, und zwar die Elektroden A1 und B1 auf der einen Seite und die Elektroden A2 und B2 auf der anderen Seite von diesen.
Innerhalb jeder Gruppe von Elektroden A und B sind die beiden Elektroden jedes Paares gegeneinander um 180° phasenverschoben, und diese beiden Elektrodengruppen sind um 90° gegeneinander phasenverschoben, was in der Zeichnung durch die punktierte senkrechte Projektion eines Elektrodenpaares jeder Gruppe A und B auf die Elektroden E des Maßstabs 1 verdeutlicht ist.
Die derart verteilten Elektroden des Maßstabs 1 und des Schiebers 2 bilden zwei Paare von Meßkapazitäten gegen Masse, nämlich die Kapazitäten CA1 - CA2 bzw. CB... - CB-, deren Signale sich abhängig von der Relativverschiebung D zwischen diesem Maßstab und dem Schieber entwickeln und wegen der oben angegebenen Phasenverschiebungen zwischen den Elektroden den in Fig. 2 dargestellten Verlauf aufweisen.
In dem Diagramm der Fig. 2 sind die Verschiebungen D auf der Abszisse und die Amplitudenänderungen C der von den Kapazitäten CA1 und CA« bzw. CB1 und CB- abgegebenen Signale auf der Ordinate aufgetragen.
Wenn CA und CB die Mittelwerte der von den Kapazitäten CA1, CA- bzw. CB1 und CB.-, während der Verschiebung abgegebenen Signale sind und wenn C die Amplitudenänderung dieser Signale innerhalb einer Periode ist, so ist ersichtlich, daß diese Signale sich folgendermaßen entwickeln:
CA = CA +_ C CB1 = CB
und
2 = CA + C · CB2 = CB + C
Da die Amplitude C mit der Relativverschiebung zwischen dem Maßstab und dem Schieber innerhalb einer Periode in Beziehung steht, kann auf diese Weise die Relativstellung zwischen diesen beiden Elementen bestimmt v/erden, indem die beiden Meßkomponenten kombiniert werden:
1) eine Grobposition, die durch Heraufzählen und/oder Herunterzählen der Anzahl von Perioden bestimmt wird, wobei die beiden Kapazitätspaare CA1 - CA„ und CB1 - CB„ aufgrund ihrer gegenseitigen Phasenverschiebung um 90° eine Bestimmung der Verschiebungsrichtung ermöglichen;
2) eine Feinposition, die durch Interpolation innerhalb einer Periode erhalten wird.
Hierbei ist zu beachten, daß während einer Verschiebung, deren Größe einer Signalperiode 1 entspricht, die Gesamtheit der vier abgegebenen Signale vier Nulldurchgänge ergibt, wodurch das Meßinkrement auf ein Viertel der Länge a einer Periode reduziert wird, indem diese Nulldurchgänge gezählt werden.
Die Grobposition und die Feinposition sowie ihre Kombination werden mittels der elektronischen Verarbeitungsschaltung 3 aus den Analogsignalen gewonnen, die von den beiden Meßkapazitatspaaren abgegeben werden.
Zu diesem Zweck enthält die Schaltung 3 zwei mit den beiden Meßkapazitatspaaren CA1 - CA_ und CB1 - CB „ verbundene geschaltete Referenzkapazitätsgruppen RA. und RA2 bzw. RB1 und RB2, die mit den Meßkapazitäten derart in Brücke geschaltet sind, daß zwei verschiedene kapazitive und einander gleiche Brücken 4A und 4B gebildet werden, wovon die eine Brücke 4A in Fig. 3 im einzelnen gezeigt ist. Diese Referenzkapazitäten, die in Fig. 3 in beiden Gruppen mit CR bezeichnet sind, sind ebenso wie die zugeordneten Schalter 11 vom MOS-Typ und sind binär gewichtet (1 , 2, 4, 8 usw.) .
Die beiden Ausgänge jeder dieser kapazitiven Brücken 4A und 4B sind jeweils mit einem Komparator 5A bzw. 5B verbunden, dessen Ausgang mit einem Prozessor 6 vom CMOS-Typ verbunden ist. Dieser Prozessor 6 enthält zwei Gegenkopplungsausgänge 7 und 8, die mit den beiden kapazitiven Brücken verbunden sind, sowie einen dritten Ausgang 9, der an eine Digitalanzeige 10 angeschlossen ist.
Die charakteristische Funktion des Prozessors 6 besteht darin, die Schaltung der Referenzkapazitäten der beiden kapazitiven Brücken 4A und 4B gemäß einem rein digitalen Algorithmus zu gewährleisten. Der angewendete Prozeß ist folgender:
Die Komparatoren 5A und 5B zeigen dem Prozessor 6 den Sinn des Ungleichgewichts an den beiden kapazitiven Brücken 4A und 4B an. Der Prozessor 6 stellt das Gleichgewicht bzw. den Abgleich jeder dieser beiden Brücken wieder her, indem dxe Referenzkapazitäten CR zu- oder weggeschaltet werden. Die Stellung der Schalter 11 ist in
«Θ β
ΰ β ·
-43
332457S
diesem Zeitpunkt das digitale Äuqivalent der Amplitude C des Analogsignals, das jeweils von den Meßkapazitäten CA1 CA9, CB1 und CB9 in der zuvor anhand von Fig. 2 erläuterten Weise abgegeben wird.
Da die Referenzkapazitäten binär gewichtet sind, ist die angewendete Verfahrensweise des Abgleichs eine Umsetzung durch sukzessive Approximation, wie sie in gleicher Weise bei Analog/Digital-Umsetzern angewendet wird.
Da die Amplitude C des genannten Signals in Beziehung zu der Relativstellung zwischen dem Maßstab und dem Schieber innerhalb jeder Periode steht, ist dieser Abgleichvorgang virtuellen Verschiebungen äquivalent, denn an den Kompara toren 5A und 5B ist keinerlei Unterscheidung zwischen einer effektiven Bewegung und dem Approximationsprozeß möglich.
Diese charakteristische Funktion der Schaltung von Referenzkapazitäten unter Anwendung eines digitalen Algorithmus bildet die Feinmessung durch digitale Interpolation innerhalb jeder Periode der periodischen Signale von den Meßkapazitäten CA., CA2, CB1 und CB9 während der Relativverschiebung zwischen dem Maßstab und dem Schieber der Meßvorrichtung. Diese Funktion sowie die anderen Fuktionen des Heraufzählens bzw. Herunterzählens der Perioden für die Grobmessung sowie die Kombination dieser beiden Meßkomponenten sind in dem Blockschaltbild der Fig. 4
dargestellt.
30
In diesem Blockschaltbild sind die bereits erwähnten Verbindungen und Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
^° Der Prozessor 6 weist für jede der beiden kapazitiven Brücken 4A und 4B einen mit der entsprechenden Brücke über eine Verbindung 7 bzw. 8 verbundenen Abgleichmodul
β β a β»« ·η»*>
~ _1 Π _■
12 bzw. 13 auf, der das Ausgangssignal des zugeordneten Komparators 5A bzw. 5B sowie periodische Unterbrechungsimpulse aus einem unabhängigen Impulsgenerator 14 empfängt.
Diese beiden Abgleichmoduln 12 und 13 sind über einen zweiten Ausgang 15 bzw. 16 an einen Rechner angeschlossen, der die Feinposition berechnet und außerdem das periodische Unterbrechungssignal aus dem Impulsgenerator 14 empfängt.
In diesem ersten Teil der Schaltung des Prozessors 6, der den Feinmeßwert mittels des Rechners 17 bestimmt, haben die periodischen Unterbrechungsimpulse die Funktion, bei jedem Impuls den Prozeß der sukzessiven Approximierungen zu unterbrechen, und zwar sowohl um die Wiederherstellung des Abgleichs der kapazitiven Brücken 4A und 4B zu ermöglichen als auch um den Verlust des durch Zählung gewonnenen Grobmeßwertes zu verhindern sowie den Sinn der Relativbewegung zwischen dem Maßstab und dem Schieber zu unterscheiden.
Für die Grobmessung enthält der Prozessor 6 einen mit den Ausgängen der beiden Komparatoren 5A und 5B und des Impulsgenerators 14 verbundenen Diskriminator 18 zur Unterscheidung der Bewegungsrichtung aufgrund der Phasenverschiebung von 90° zwischen den Signalen von den beiden Meßkapazitätspaaren sowie einen Auf/Abwärtszähler 19, der durch die Nulldurchgänge der Signale von diesen Meßkapazitäten angesteuert wird und mit dem Diskriminator 18 verbunden ist.
Der so bestimmte Feinmeßwert und Grobmeßwert der Verschiebung werden dann durch einen Summierer 20 kombiniert, der mit dem Ausgang des Rechners 17 und mit dem Ausgang des Auf/Abwärtszählers 19 verbunden ist und dessen Ausgang an die Digitalanzeige 10 über einen Schnittstellendecoder 21 angeschlossen ist.
* O Γ
ti C
--4-4—
Der Auf/Abwärtszähler 19 und der Summierer 20 dieser Schaltung sind mit einer externen Nullrücksetzsteuerung verbunden.
Der Grad der Auflösung und Präzision der erfindungsgemäßen kapazitiven Meßvorrichtung hängt offensichtlich von der Größe des verwendeten Zählimkrements ab, von der Symmetrie seiner Verteilung und von der Genauigkeit der Interpolation innerhalb jeder Periode der Meßsignale, in gleicher Weise wie bei allen bekannten kapazitiven Meßvorrichtungen, die mit Zählung und Interpolation arbeiten.
Die bei der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung durch den Prozessor 6 nach einem digitalen Algorithmus vorgenommene Steuerung der Schalter für die Referenzkapazitäten CR der kapazitiven Brücken 4A und 4B ist günstig, da die Kapazitätsverhältnisse durch die angewendete CMOS-Technologie sehr genau definiert werden können. 20
Wenn eine größere Präzision angestrebt wird, ist es vorteilhaft, diese Interpolation mittels einer Schaltung nach der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform vorzunehmen,, wobei es sich um eine erste Ausführungsvariante der in Fig. 3 gezeigten kapazitiven Brücke handelt.
Diese erste Ausführungsvariante hat den Vorteil, daß eine integrierte Schaltung mit geschalteten Referenzkapazitäten simuliert wird. Diese Brückenschaltung besteht aus zwei invertierenden Integratoren mit geschalteten Referenzkapazitäten und einer digital gesteuerten Verstärkung.
In dieser Schaltung sind die Schalter 11 für die Referenzkapazitäten CR der beiden Gruppen RA-, und RA- so angeordnet, daß jeder Schaltvorgang stattfindet zwischen einem Potential, das gesteuert wird durch eine niederimpedante Quelle, die durch den Ausgang eines in die Schaltung der
'■Mc
Kapazitäten integrierten Operationsverstärkers 23 bzw. gebildet ist, und einer virtuellen Masse, die durch den Eingang des Verstärkers gebildet ist.
In diesen beiden Integratoren wird der Widerstand durch die Gesamtheit aus einer Meßkapazität CA1 bzw. CA2 und einem Schalter 25 bzw. 26 gebildet.
Diese beiden Schalter 25 und 26 werden durch den bereits erwähnten, das Digitalsignal erzeugenden Impulsgenerator betätigt und schalten zwischen einer Quelle 29 niedriger Impedanz, die durch den seinerseits bereits erwähnten Digitalsignalgenerator gespeist wird, und der virtuellen Masse der Verstärker 23 und 24.
Die beiden Ausgänge dieser Brückenschaltung sind mit dem Komparator 5A in gleicher Weise und zu demselben Zweck wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform verbunden.
Bei dieser ersten Ausführungsvariante ist eine zweite, gleiche Brückenschaltung mit dem zweiten Paar von Meßkapazitäten RB1, RB2 und mit dem Komparator 5B verbunden, und innerhalb jeder Gruppe von Referenzkapazitäten dieser beiden Brückenschaltungen werden diese in gleicher Weise durch den Prozessor 6 in der zuvor bereits beschriebenen Weise gesteuert.
Diese erste Ausführungsvariante bietet eine größere Präzision, da sie störende Einflüsse unterdrückt. Da nämlich die Schaltvorgänge zwischen Massepotentialen, der virtuellen Masse und dem Ausgangspotential einer Quelle mit niedriger Impedanz erfolgen, werden die kapazitiven Streuungen der Analogschalter eliminiert. Da ferner die Meßkapazitäten CA1 und CA2 auf denselben Potentialen liegen, besteht keine kapazitive Kopplung zwischen ihren Elektroden, so daß auch keine Störsignale erzeugt werden,
wodurch darüber hinaus die Abschirmung derselben sowie der Elektronikschaltung vereinfacht wird.
Die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung kann weiter gesteigert werden. Diesem Zweck dient die anhand von Fig. beschriebene Ausführungsform.
Bei dieser zweiten Ausführungsvariante werden die Elektroden E. des Maßstabs abwechselnd über Umschalter 27, 28
IQ mit Masse und mit einer Quelle 29 niedriger Impedanz verbunden, die durch den Digitalsignalgenerator gespeist wird. Die Meßkapazitäten CA1 und CA9 sind ebenfalls in eine kapazitive Brücke gleicher Art wie bei der zuvor beschriebenen, in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform geschaltet, die zwei invertierende Integratoren mit geschalteten Referenzkapazitäten aufweist.
Die Umschalter 27 und 28 werden bei dieser Ausführungsform ebenfalls durch den Digitalsignalgenerator vorgesteuert, ebenso wie die Umschalter 25 und 26 und synchron mit diesen.
Die Umschalter 25 und 26 schalten jeweils zwischen Masse und der virtuellen Masse eines Operationsverstärkers 23, 24 um, während die Umschalter 27 und 28 zwischen der Quelle 29 niedriger Impedanz und Masse umschalten. Auf diese Weise werden alle Störkapazitäten zur Masse, die auf den Umschaltern beruhen, eliminiert, und die so gewonnene Empfindlichkeitssteigerung ermöglicht die Messung von Kapazitätswerten, die kleiner als 0,1 pF sind.
Im Rahmen der Erfindung sind weitere Ausführungsvarianten der kapazitiven Brücken 4A und 4B möglich, sofern stets Meßkapazitäten mit Referenzkapazitäten verglichen werden. 35
Im Rahmen der Erfindung sind ferner andere Ausführungsformen der Elektroden und ihrer Anordnung möglich, sofern
zwei Paare von Meßkapazitäten geschaffen werden, die imstande sind, Signale zu erzeugen, deren Evolution bzw. Entwicklung sowohl für die Größe als auch für die Richtung der Verschiebung zwischen dem Schieber und dem Maßstab kennzeichnend ist.
Eine andere Ausführungsform der Elektrodenanordnung geht aus Fig. 7 hervor.
!0 Bei dieser dritten Ausführungsvariante, deren Darstellung auf das zum Verständnis Notwendige beschränkt ist, enthält der Schieber 2 zusätzlich zu den beiden Gruppen von Elektroden A und B (die im einzelnen in Fig. 1 gezeigt sind) eine Elektrode 30, welche die Speiseelektrode oder Masseelektrode sein kann und elektrisch von diesen beiden Gruppen durch eine Isolierelektrode 31 isoliert ist, die in einer Zwischenstellung angeordnet ist, wobei diese beiden zusätzlichen Elektroden die beiden betreffenden Gruppen A und B einrahmen.
Die nicht dargestellten Elektroden E- des Maßstabs sind ihrerseits einzeln und "schwimmend" angeordnet, d.h. elektrisch vollkommen voneinander sowie von dem Maßstab isoliert. Auf diese Weise wirken diese Elektroden E1 des Maßstabs lediglich als Signalübertragungselektroden. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, daß keinerlei elektrischer Kontakt zwischen dem Schieber und dem Maßstab erforderlich ist, wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.
Bei dieser dritten Ausführungsvariante kann derselbe Effekt durch Anwendung von mehreren Versorgungs- oder Masseelektroden 30 erreicht werden, die jeweils von den beiden Elektrodengruppen A und B isoliert sind.
Eine weitere, in der Zeichnung nicht dargestellte Ausführungsform der Elektroden besteht darin, daß die
Elektroden A1 - A0 bzw. B1 - B0 der beiden Elektrodenpaare des Schiebers kammartig verzahnt sind. Eine solche Ausführungsform ermöglicht das Einhalten einer symmetrischen Gestaltung der Elektroden und ihre Versetzung.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Umsetzung durch sukzessive Approximierung durch einen anderen Algorithmus ersetzt, insbesondere durch eine Umsetzung nach dem Iterationsverfahren.

Claims (1)

  1. PRINZ; ©UNKE' &>PAHTNER
    Patentanwälte· · -"European ° Patöni Attorneys ο q 0 / CTO
    München Stuttgart
    5. Juli 1983
    TESA S.A.
    Rue Bugnon 38
    Renens / Schweiz
    Unser Zeichen: T 3626
    Patentansprüche
    ( 1 .JVorrichtung zur kapazitiven Messung der Relativverschiebung zwischen einem Maßstab und einem Schieber eines Längen- oder Winkelmeßgeräts, bei welchem der Maßstab und der Schieber mit Reihen von in Richtung der Relatiwerschiebung ausgerichteten Elektroden versehen sind, die derart angeordnet und elektrisch gespeist sind, daß durch ihre gegenseitige Zuordnung eine Mehrzahl von elektrischen Kapazitäten geschaffen wird, die geeignet sind, ein periodisches Signal zu erzeugen, bei dem die Anzahl von Perioden proportional zu dieser Verschiebung ist, wobei die Elektroden des Schiebers an eine elektronische Verarbeitungsschaltung angeschlossen sind, die geeignet ist, ein digitales, das Ergebnis der Messung dieser Verschiebung darstellendes Signal durch Zählen der Anzahl dieser Perioden und durch Interpolation innerhalb jeder Periode zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die EJc-kt roden (K1
    des Maßstabs (1) gleichmäßig in Längsrichtung desselben verteilt sind, daß wenigstens ein Teil der Elektroden des Schiebers (2) in zwei Gruppen (A, B) verteilt sind, die jeweils wenigstens ein Elektrodenpaar (A - B. , A3-B2) enthalten, in welchem die beiden Elektroden voneinander isoliert, über der Ausdehnung der Elektroden (E1) des Maßstabs angeordnet und durch einen Digitalsignalgenerator gespeist sind, daß diese beiden Elektroden ferner um 180° und die beiden Elektrodengruppen um 90° phasenversetzt sind, so daß durch ihre Zuordnung zu den Elektroden (E1) des Maßstabs zwei Paare von Meßkapazitäten gegen Masse (CA1 -CA2, CB1 - CB2) gebildet sind, bei denen die Evolution der Signale für die Größe und den Sinn der Verschiebung bedeutsam ist, daß die elektronische Verarbeitungsschaltung (3) zwei Gruppen von geschalteten Referenzkapazitäten (RA1 -RA2, RB1 - RB ) binärer Wichtung und vom MOS-Typ, die mit den Meßkapazitäten zur Bildung von zwei kapazitiven Brücken (4A, 4B) in Brücke geschaltet sind, zwei Komparatoren (5A, 5B), von denen jeder an eine dieser beiden Brücken angeschlossen ist, und einen Prozessor (6) vom CMOS-Typ enthält, der zwei mit diesen beiden Komparatoren verbundene Eingänge und zwei mit den beiden kapazitiven Brücken verbundene Gegenkopplungsausgänge (7, 8) aufweist, und dessen Schaltkreis Moduln (12, 13) enthält, die geeignet sind, um eine digitale Interpolation innerhalb jeder Periode vorzunehmen, indem periodisch unter Steuerung durch den Digitalsignalgenerator der Abgleich bzw. das Gleichgewicht der kapazitiven Brücken wiederhergestellt wird durch Schaltung der Re^erenzkapazitäten (CR), wobei die Stellung der Schalter (11) für diese Kapazitäten bei jedem Abgleich das digitale Äquivalent der Verschiebung ergibt und die Zählung der Perioden zwisehen diesen /vbgleichvorgängen unter Verwendung eines Impulsgenerator vorgenommen werden kann.
    β O
    30 O β 0
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E-) des Maßsti verbunden sind (Figuren 1, 3, 5).
    daß die Elektroden (E-) des Maßstabs alle mit Masse
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E-) des Maßstabs alle abwechselnd mit Masse und mit einer niederimpedanten Quelle (29) durch zwei durch den Digitalsignalgenerator betätigte Schalter (27, 28) verbunden sind (Fig. 6).
    4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden kapazitiven Brücken (4A, 4B) gebildet ist durch zwei Operationsverstärker (23, 24), die als invertierende Integratoren mit geschalteten Kapazitäten geschaltet sind und bei denen der Widerstand simuliert ist durch die Gesamtheit einer Meßkapazität (CA-, CA2) und eines Schalters (25, 26), der durch den Digitalsignalgenerator betätigt ist, wobei die Referenzkapazitäten (CR) in die Gegenkopplungsschleife dieser Integratoren so eingefügt sind, daß sie durch ihre Wirkung eine Verstärkung festlegen, die digital durch die Schalter (11) für die Referenzkapazitäten gesteuert ist (Fig. 5, 6).
    5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter (25, 26) der beiden Integratoren derart geschaltet sind, daß sie zwischen einer niederimpedanten Quelle (29)/ die durch den Digitalsignalgenerator gespeist ist, und der virtuellen Masse der Operationsverstärker (23, 24) schalten (Fig. 5) .
    6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter (25, 26) der beiden Integratoren derart angeordnet sind, daß sie zwischen Masse und der virtuellen Masse der Operationsverstärker (23, 24) schallen, wobei dit-so beiden
    Schalter synchron mit den Schaltern (27, 28) betätigt werden, welche die Elektroden des Maßstabs abwechselnd mit Masse und mit der niederimpedanten Quelle (29) verbinden (Fig. 6).
    7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E1) des Maßstabs einzeln und schwimmend ausgebildet sind und daß der*-Schieber (2) zusätzlich zu seinen beiden Elektrodengruppen (A, B) wenigstens eine Versorgungs- oder Masseelektrode (30) enthält, die von diesen beiden Gruppen isoliert ist (Fig. 7).
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