DE3324578C2

DE3324578C2 - Vorrichtung zur kapazitiven Messung einer Verschiebung

Info

Publication number: DE3324578C2
Application number: DE3324578A
Authority: DE
Inventors: Christophe W. Renens Burckhardt; Jacques Ecublens Fournier; Philippe Lausanne Stauber
Original assignee: Tesa SARL
Current assignee: Tesa SARL
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1983-07-07
Publication date: 1985-06-20
Also published as: BR8303577A; IT1162890B; IN159378B; IT8367725A0; JPS5923218A; SE8303619L; GB2123629B; JPH0376687B2; SE8303619D0; CH648929A5; GB8316841D0; GB2123629A; DE3324578A1; FR2530011B1; US4543526A; FR2530011A1; SE455230B

Abstract

Die Vorrichtung umfaßt einen Maßstab (1) und einen Schieber (2), die mit Elektroden versehen sind, welche so angeordnet sind, daß zwei Paare von Meßkapazitäten (CA ↓1-CA ↓2, CB ↓1-CB ↓2) zur Messung der Verschiebung der Schieber auf dem Maßstab gebildet sind. Diese Meßkapazitäten sind an eine elektronische Versorgungs- und Verarbeitungsschaltung (3) angeschlossen, in der sie mit geschalteten Referenzkapazitäten vom MOS-Typ in Brücke (4A, 4B) geschaltet sind. In dieser Schaltung (3) sind die Brückenausgänge über Komparatoren (5A, 5B) mit einem Prozessor (6) vom CMOS-Typ verbunden, der geeignet ist, ein das Meßergebnis darstellendes Digitalsignal durch Zählung der Perioden des von den Meßkapazitäten abgeleiteten Signals und durch digitale Interpolation innerhalb jeder dieser Perioden zu erzeugen. Diese Interpolation geschieht durch Abgleich der kapazitiven Brücken unter Anwendung eines digitalen Algorithmus. Die Meßvorrichtung zeichnet sich durch einen Schaltkreis mit geringem Stromverbrauch aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung einer Verschiebung, insbesondere der Re-

lativverschiebung zwischen dem Maßstab und dem Schieber eines Längen- oder Winkelmeßgeräts, besonders für ein Gerät mit Handbedienung, z. B. eine Schieblehre, eine säulenförmige Lehre oder ein Winkelmesser, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 der Verschiebung ist, wobei die Elektroden des Schiebers mit einer elektronischen Verarbeitungsschaltung verbun-

den 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 24 11 391 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung ist der Maßstab mit einer Reihe von Elektroden versehen, die gleichmäßig verteilt und elektrisch voneinander iso-

lierl 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 elektronische Signalverarbekungsschaltung angeschlossen ist.

Bei dieser Anordnung der Elektroden befinden sich die Detektionselektroden des Maßstabs gegenüber der Bewegungsbahn der Speiseelektroden des Schiebers, während die Übertragungselektroden 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 nebeneinanderliegenden Speiseelektroden entsprechen, und die Erfassung des Amplitudenverhältnisses der Signale mittels einer Elektronikschaltung ermöglicht die Bestimmung der Stellung des Schiebers in bezug auf den Maßstab.

Diese bekannte Vorrichtung weist den wesentlichen Voteil 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 Meßwertanzeige zu erhalten, so daß die Vorrichtung einen hohen Stromverbrauch aufweist.

Der Erfindung ]>egt die Aufgabe 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 gattungsgemäße Vorrichtung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Verarbeitungsschaltung 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 ist, und einen Prozessor vom CMOS-Typ enthält, der /wei 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 Ablgeichvorgängen 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 Elekironikschaltung 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 sieh aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt

F i g. 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

F i g. 5, 6 und 7 Schaltbilder von weiteren Ausführungsformen.

Die in F i g. 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 £1 gebildeten Basisleiterelements bildet, mit einer Wiederholungsperiode /, die gleich der Summe der Elektrodenbreite a und des Abstandes b zwischen den Elektroden ist:/ = a + b.

Der Schieber 2 ist mit zwei Gruppen von Elektroden A und B versehen, die jeweils eine bestimmte Anzahl von Elektrodenpaaren A\-B\ bzw. A2-B2 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 A\ und A₂ bzw. B\ und Bi 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 A\, A₂, B₁ und B₂ des Schiebers 2 weisen in jeder Gruppe A und B dieselbe Breite a und denselben Abstand b voneinander auf wie die Elektroden E\ des Maßstabs; in der Querrichtung sind sie so angeordnet, daß sie die von diesen Elektroden E\ eingenommene Zone überdecken, und zwar die Elektroden A\ und B\ auf der einen Seite und die Elektroden A₂ und B₂ auf der anderen Seite von diesen.

Innerhalb jeder Gruppe von Elektroden A und S 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 CA\-CA₂ bzw. CBi-CB₂, deren Signale sich abhängig von der Realtivverschiebung D zwischen diesem Maßstab und dem Schieber entwickeln und wegen der oben angegebenen Phasenverschiebungen zwischen den Elektroden den in F i g. 2 dargestellten Verlauf aufweisen.

in dcrn Diagramm der F i g. 2 sind die Verschiebungen D auf der Abszisse und die Amplitudenänderungen Cder von den Kapazitäten CA\ und CA₂ bzw. CSi und CBi abgegebenen Signale auf der Ordinate aufgetragen.

Wenn CA und CB die Mittelwerte der von den Kapazitäten CAu CA₂ bzw. CBi und CB₂ 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 CA₂ =CA + C

CB_x = CB ± 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 werden, 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 CA]-CA₂ und CBrCB₂ 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 / entspricht, die Gesamtheit der vier abgegebenen Signale vier NuH-durchgänge 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 Meßkapazitätspaaren abgegeben werden.

Zu diesem Zweck enthält die Schaltung 3 zwei mit den beiden Meßkapazitätspaaren CA]-CA₂ und CBi-CB₂ verbundene geschaltete Referenzkapazitätsgruppen RAj und RA₂ bzw. RB\ und RB₂, die mit den Meßkapazitäten derart in Brücke geschaltet sind, daß zwei verschiedene kapazitive und einander gleiche Brücken 4Λ und 4ß gebildet werden, wovon die eine Brücke 4Λ in F i g. 3 im einzelnen gezeigt ist Diese Referenzkapazitäten, die in F i g. 3 in beiden Gruppen mit CT? 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 Brükken 4A und 45 sind jeweils mit einem Komparator 5A bzw. 5B verbunden, dessen Ausgang mit einem Prozessor 6 vom CMOS-Typ verbunden ist. Dieser Prozesor 6 enthält zwei Gegenkopplungsausgänge 7 und 8, die mit den beiden kapazitiven Brücken verbunden sind, sowie

ίο 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 4/4 und 4ß gemäß einem

!5 rein digitalen Algorithmus zu gewährleisten. Der angewendete Prozeß ist folgender:

Die Komparatoren 5/4 und 5ß zeigen dem Prozessor 6 den Sinn des Ungleichgewichts an den beiden kapazitiven Brücken 4Λ und 4B an. Der Prozessor 6 stellt das Gleichgewicht bzw. den Abgleich jeder dieser beiden Brücken wieder her, indem die Referenzkapazitäten CR zu- oder weggeschaltet werden. Die Stellung der Schalter 11 ist in diesem Zeitpunkt das digitale Äquivalent der Amplitude C des Analogsignals, das jeweils von den Meßkapazitäten CA\, CA₂, CB\ und CB₂ in der zuvor anhand von F i g. 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 Abgieichvorgang virtuellen Verschiebungen äquivalent, denn an den Komparatoren 5Λ und SB 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 CAu CA₂, CB\ und CS₂ während der Relativverschiebung zwischen dem Maßstab und dem Schieber der Meßvorrichtung. Diese Funktion sowie die anderen Funktionen des Heraufzählens bzw. Herunterzählens der Perioden für die Grobmessung sowie die Kombination dieser beiden Meßkomponenten sind in dem Blockschaltbild der F i g. 4 dargestellt.

In diesem Blockschaltbild sind die bereits erwähnten Verbindungen und Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet
Der Prozessor 6 weist für jede der beiden kapazitiven Brücken 4Λ und 4ß einen mit der entsprechenden Brükke über eine Verbindung 7 bzw. 8 verbundenen Abgleichmodul 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 Feimeßwert 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 4ß 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 5ß 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 Äuf-/Abwärtszähier 19, der durch die NuIldurchgänge 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.

Der Auf-/Abwärtszähler 19 und der Summierer 20 dieser Schaltung sind mit einer externen Nullrücksetzsteuerung 22 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 4/4 und 4ß ist günstig, da die Kapazitätsverhältnisse durch die angewendete CMOS-Technologie sehr genau definiert werden können.

Wenn eine größere Präzision angestrebt wird, ist es vorteilhaft, diese Interpolation mittels einer Schaltung nach der in F i g. 5 gezeigten Ausführungsform vorzunehmen, wobei es sich um eine erste Ausführungsvariante der in F i g. 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 geschailelen Referenzkapazitäten und einer digital gesteuerten Verstärkung.

In dieser Schaltung sind die Schalter 11 für die Referenzkapazitäten CR der beiden Gruppen RAj und RA-i 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 Kapazitäten integrierten Operationsverstärkers 23 bzw. 24 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 CA\ 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 5/4 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 RB\, RB2 und mit dem Komparator 5ß 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 CAi 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 F i g. 6 beschriebene Ausführungsform.

Bei dieser zweiten Ausführungsvariante werden die Elektroden £Ί des Maßstabs abwechselnd über Umschalter 27,28 mit Masse und mit einer Quelle 29 niedriger Impedanz verbunden, die durch den Digitalsignalgenerator gespeist wird. Die Meßkapazitäten CAi und CA2 sind ebenfalls in eine kapazitive Brücke gleicher Art wie bei der zuvor beschriebenen, in F i g. 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 KapäziiäiSwerien, die kleiner als 0,1 pF sind.

Im Rahmen der Erfindung sind weitere Ausführungsvarianten der kapazitiven Brücken AA und 4ß möglich, sofern stets Meßkapazitäten mit Referenzkapazitäten verglichen werden.

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 F i g. 7 hervor.

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 F i g. 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 Fi des Maßstabs sind ihrerseits einzeln und »schwimmend« angeordnet, d. h. elektrisch vollkommen voneinander sowie von dem Maßstab isoliert. Auf diese Weise wirken diese Elektroden Ei 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 F i g. 1 gezeigten Ausführungsform.

Bei dieser dritten Ausführungsvariante kann derselbe Effekt durch Anwendung von mehreren Versorgungsoder 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 Λ1-Λ2 bzw. B\-B2 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

40

45

50

55

«5

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur kapazitiven Messung der Relativverschiebung zwischen einem Maßstab (1) und einem Schieber (2) eines Längen- oder Winkelmeßgeräts, bei welchem der Maßstab (1) und der Schieber (2) mit Reihen von in Richtung der Relativverschiebung ausgerichteten Elektroden (E_x bzw. A_x, A₂, B_x, B₂) 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 (A_x, A₂, B_x, B₁) des Schiebers (2) an eine elektronische Verprbeitungsschaltung (3) angeschlossen sind, die geeignet ist, ein digitales, das Ergebnis der Messung dieser Verschiebung darstellendes Signal durch Zählen der Anzahl dieser Periöden und durch Interpolation innerhalb jeder Periode zu erzeugen, wobei ferner die Elektroden (E_x) des Maßstabs (1) gleichmäßig in Längsrichtung desselben verteilt sind, wenigstens ein Teil der Elektroden des Schiebers (2) in zwei Gruppen (A, B) verteilt sind, die jeweils wenigstens ein Elektrodenpaar (A\-B_u A₂-B₂) enthalten, in welchem die beiden Elektroden voneinander isoliert, über der Ausdehnung der Elektroden (E_x) des Maßstabs angeordnet und durch einen Digitalsignalgenerator gespeist sind, und wobei diese beiden Elektroden ferner um 180° und die beiden Elektrodengruppen um 90° phasenversetzt sind, so daß durch ihre Zuordnung zu den Elektroden (E_x) des Maßstabs zwei Paare von Meßkapazitäten gegen Masse (CA_x-CA₂, CB_x-CB₂) gebildet sind, bei denen die Evolution der Signale für die Größe und den Sinn der Verschiebung bedeutsam ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Verarbeitungsschaltung (3) .iwei Gruppen von geschalteten Referenzkapazitäten (RA_x-RA₂, RB_x-RB₂) binärer Wichtung und vom MOS-Typ, die mit den Meßkapazitäten zur Bildung von zwei kapazitiven Brücken (4Λ, AB) in Brücke geschaltet sind, zwei Komparatoren (5A, 5B), von denen jeder an eine dieser beiden Brücken angeschlossen ist, und einen Prozesor (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 Referenzkapazitäten (CR), wobei die Stellung der Schalter (11) für diese Kapazitäten bei jedem Abgleich das digitale Äquivalent der Verschiebung ergibt und die Zählung der Perioden zwischen diesen Abgleichvorgängen unter Verwendung eines Impulsgenerators vorgenommen werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E_x) des Maßstabs alle mit Masse verbunden sind (F i g. 1,3,5).

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 (F ig. 6).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden kapazitiven Brücken (4Λ, 4B) gebildet ist durch zwei Operationsver.tärker (23, 24), die als invertierende Integratoren mit geschalteten Kapazitäten geschaltet sind und bei denen der Widerstand simuliert ist durch die Gesamtheit einer Meßkapazität (CA_x, 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 (F i g. 5,6).

5. Vorrichtung each 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 (F i g. 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) schalten, wobei diese 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 (F i g. 6).

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E_x) 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 (F i g. 7).