NL9400736A - Displacement-measuring capacitive sensor - Google Patents
Displacement-measuring capacitive sensor Download PDFInfo
- Publication number
- NL9400736A NL9400736A NL9400736A NL9400736A NL9400736A NL 9400736 A NL9400736 A NL 9400736A NL 9400736 A NL9400736 A NL 9400736A NL 9400736 A NL9400736 A NL 9400736A NL 9400736 A NL9400736 A NL 9400736A
- Authority
- NL
- Netherlands
- Prior art keywords
- electrode
- capacitive sensor
- electrodes
- shielding
- displacement
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
- G01D5/241—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes
- G01D5/2412—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap
- G01D5/2415—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by relative movement of capacitor electrodes by varying overlap adapted for encoders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
- G01D5/2403—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance by moving plates, not forming part of the capacitor itself, e.g. shields
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)
Abstract
Description
Capacitieve sensor voor het meten van verplaatsingen.Capacitive sensor for measuring displacements.
De uitvinding heeft betrekking op een capacitieve sensor voor het meten van een verplaatsing, zoals een translatie of rotatie, voorzien van een samenstel van ten minste twee onderling geïsoleerde en vaste elektroden, waarvan één op een stuursignaalbron aangesloten zendelektrode en een op een ingang van een meetschakeling aangesloten ontvangelektrode, en tenminste een aan de te meten verplaatsing onderworpen verdere elektrode die de sensorcapaciteit tussen de twee vaste elektroden beïnvloedt. Een dergelijke capacitieve sensor is bekend uit de praktijk.The invention relates to a capacitive sensor for measuring a displacement, such as a translation or rotation, comprising an assembly of at least two mutually insulated and fixed electrodes, one of which is a transmitter electrode connected to a control signal source and one to an input of a measuring circuit connected receiving electrode, and at least one further electrode subject to the displacement to be measured, which influences the sensor capacity between the two fixed electrodes. Such a capacitive sensor is known from practice.
De werking van deze bekende sensor berust op het feit dat de aan de verplaatsing onderworpen en geïsoleerd opgestelde verdere elektrode de capacitieve koppeling tussen de zend- en ontvangelektroden beïnvloedt. Dergelijke sensoren zijn geschikt voor het meten van absolute translatie of rotatie maar kennen een aantal problemen.The operation of this known sensor is based on the fact that the further electrode subjected to the displacement and arranged in isolation influences the capacitive coupling between the transmitting and receiving electrodes. Such sensors are suitable for measuring absolute translation or rotation, but have a number of problems.
1. Deze sensoren zijn niet alleen gevoelig voor translatie of rotatie van de aan verplaatsing onderworpen verdere elektrode in één bedoelde richting evenwijdig aan de zend- en ontvangelektroden, maar zijn ook gevoelig voor variatie in de afstand tot het vlak waarin de zend- en ontvangelektroden zich bevinden. De sensorcapaciteit varieert namelijk ook als gevolg van bewegingen in deze parasitaire bewegingsrichting.1. These sensors are not only sensitive to translation or rotation of the displaced further electrode in one intended direction parallel to the transmit and receive electrodes, but are also sensitive to variation in the distance from the plane in which the transmit and receive electrodes are are located. The sensor capacity also varies as a result of movements in this parasitic direction of movement.
2. Bij bovengenoemde sensoren hebben parasitaire capaciteiten een grote invloed op de maximaal haalbare resolutie en snelheid van het gehele meetsysteem. Met name de parasitaire capaciteit van de ontvangelektrode naar aarde speelt een belangrijke rol. In de bekende uitvoeringen is de waarde van deze parasitaire capaciteit vele tientallen tot honderden malen groter dan die van de effectieve meet- of sensorcapaciteit. Hierdoor is de bandbreedte en resolutie van de bekende capacitieve sensoren sterk beperkt.2. With the above sensors, parasitic capacities have a major influence on the maximum achievable resolution and speed of the entire measuring system. In particular, the parasitic capacitance of the receiving electrode to ground plays an important role. In the known embodiments, the value of this parasitic capacitance is many tens to hundreds of times greater than that of the effective measuring or sensor capacitance. As a result, the bandwidth and resolution of the known capacitive sensors is very limited.
De uitvinding beoogt bovengenoemde problemen te ondervangen en een absolute capacitieve sensor aan te geven waarvan de resolutie, de nauwkeurigheid en de stabiliteit zijn vergroot, en waarmee bij een verdere uitvoering tevens een vergroting van het meetbereik kan worden verkregen.The object of the invention is to overcome the above-mentioned problems and to indicate an absolute capacitive sensor whose resolution, accuracy and stability have been increased, and with which an extension of the measuring range can also be obtained in a further embodiment.
Dit wordt bij een capacitieve sensor van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding aldus bereikt doordat de tenminste twee vaste elektroden op een gemeenschappelijke drager zijn aangebracht, en dat de verdere elektrode met signaalaarde is verbonden en een afschermende werking heeft, waarbij deze afschermelektrode op kleine afstand boven de, de zend- en ontvangelektroden ondersteunende gemeenschappelijke drager is geplaatst dichtbij de zendelektrode en weg van de ontvangelektrode.This is thus achieved with a capacitive sensor of the type mentioned in the preamble according to the invention in that the at least two fixed electrodes are arranged on a common support, and that the further electrode is connected to signal earth and has a shielding effect, this shielding electrode being A small distance above the common carrier supporting the transmit and receive electrodes is placed near the transmit electrode and away from the receive electrode.
Bij deze uitvoering volgens de uitvinding kan de bij de bekende capacitieve sensor door de parasitaire bewegingsrichting ontstane variatie van de sensorcapaciteit worden verminderd door de aan de verplaatsing onderworpen elektrode met aarde te verbinden. Hierdoor ontstaat een af-schermende werking die evenredig is met de verplaatsing, waardoor de sensorcapaciteit evenredig is met de verplaatsing. Doordat volgens de uitvinding de afschermelektrode op kleine afstand boven de de elektroden ondersteunende gemeenschappelijke drager is geplaatst wordt de afschermende werking niet beïnvloedt door de parasitaire beweging in een richting loodrecht op het vlak waarin de zend- en ontvangelektroden zich bevinden. Hierdoor wordt de parasitaire capaciteit van de beide vaste elektroden naar aarde wel vergroot. Deze vergroting alsmede de variatie van deze parasitaire capaciteit ten gevolge van trillingen in een richting loodrecht op het vlak, waarin de zend- en ontvangelektroden zich bevinden, kunnen invloed hebben op de resolutie en de bandbreedte van de meetschakeling. Bij de uitvoering volgens de uitvinding wordt deze invloed echter tot een minimum beperkt door de parasitaire capaciteit van de ontvangelektrode naar aarde te verminderen door de aan de verplaatsing onderworpen afschermelektrode dicht bij de zendelektrode en zo ver mogelijk van de ontvangelektrode te plaatsen zonder dat hierdoor de afschermende werking wordt beïnvloed.In this embodiment according to the invention, the variation of the sensor capacitance caused by the parasitic direction of movement in the known capacitive sensor can be reduced by connecting the electrode subject to the displacement to earth. This creates a shielding effect that is proportional to the displacement, making the sensor capacity proportional to the displacement. Because, according to the invention, the shielding electrode is placed at a small distance above the common support supporting the electrodes, the shielding effect is not affected by the parasitic movement in a direction perpendicular to the plane in which the transmitting and receiving electrodes are located. This does increase the parasitic capacitance of the two fixed electrodes to earth. This increase, as well as the variation of this parasitic capacitance due to vibrations in a direction perpendicular to the plane in which the transmit and receive electrodes are located, may affect the resolution and the bandwidth of the measuring circuit. In the embodiment of the invention, however, this influence is minimized by reducing the parasitic capacitance of the receiving electrode to ground by placing the displaced shielding electrode close to the transmitting electrode and as far away from the receiving electrode as possible without causing the shielding operation is affected.
De bovengenoemde afschermende werking van de aan de verplaatsing onderworpen elektrode door verbinding met signaalaarde is essentieel voor de werking van de sensor. Een bewegende galvanische verbinding met een lage impedantie is moeilijk realiseerbaar. Een galvanische verbinding naar aarde kan echter achterwege blijven bijvoorbeeld bij de volgende varianten. De afschermelektrode kan capacitief met aarde worden verbonden door het vaste deel van de sensor (sensorhuis) met aarde te verbinden en de capaciteit van de afschermelektrode naar dit sensorhuis veel groter te maken dan de sensorcapaciteit. Ook kan de afschermelektrode virtueel met aarde worden verbonden in een gebalanceerde uitvoering van de sensor.The aforementioned shielding effect of the displaced electrode by connection to signal ground is essential for the operation of the sensor. A moving galvanic connection with a low impedance is difficult to realize. However, a galvanic connection to earth can be omitted, for example in the following variants. The shielding electrode can be capacitively connected to ground by connecting the fixed part of the sensor (sensor housing) to earth and making the capacitance of the shielding electrode to this sensor housing much larger than the sensor capacity. The shielding electrode can also be virtually connected to ground in a balanced version of the sensor.
Bij een verdere uitvoering volgens de uitvinding kan de ontvang-schakeling zodanig zijn ingericht dat de ingang van deze schakeling zich gedraagt als virtuele aarde waarop tevens de offsetspanning zeer laag is. Hierdoor wordt de stroom door de parasitaire capaciteit tengevolge van variatie van de waarde van deze parasitaire capaciteit tot een minimum beperkt.In a further embodiment according to the invention, the receiving circuit can be arranged such that the input of this circuit behaves as a virtual earth on which the offset voltage is also very low. This minimizes the current through the parasitic capacitance due to variation of the value of this parasitic capacitance.
Bij nog een verdere uitvoering volgens de uitvinding kan de meet-schakeling zijn ingericht zodanig dat variatie van de parasitaire capaciteit een signaal oplevert met dezelfde frequentie als het stoorsignaal, terwijl variatie van de bedoelde sensorcapaciteit een meetsignaal oplevert in een andere frequentieband, waardoor na filtering de storende signalen kunnen worden onderdrukt.In a still further embodiment according to the invention, the measuring circuit can be arranged such that variation of the parasitic capacitance yields a signal with the same frequency as the disturbing signal, while variation of the intended sensor capacity yields a measurement signal in a different frequency band, so that after filtering the interfering signals can be suppressed.
De kleinste waarde van de verplaatsing die nog kan worden gemeten wordt bepaald door de grootte van de stoorsignalen die in het meetsysteem optreden. Hoewel filtering van deze stoorsignalen mogelijk is, heeft dit tevens een beperking van de snelheid (bandbreedte) van het meetsysteem tot gevolg. Een zo groot mogelijk dynamisch bereik van de schakeling wordt verkregen als de invloed van de stoorsignalen zo klein mogelijk wordt gemaakt zonder dat dit een beperking van de snelheid tot gevolg heeft. Stoorsignalen zijn afkomstig van de equivalente ingangsruisbronnen van de op de ontvangelektrode aangesloten versterker en van trillingen in de parasitaire bewegingsrichtingen zoals eerder genoemd. De invloed van deze stoorsignalen wordt versterkt door aanwezigheid van de parasitaire capaciteit van de ontvangelektrode naar aarde. De invloed van deze stoorsignalen wordt dus verkleind door de eerder genoemde minimalisering van de parasitaire ingangscapaciteit.The smallest value of the displacement that can still be measured is determined by the magnitude of the interference signals that occur in the measuring system. Although filtering of these interference signals is possible, this also results in a limitation of the speed (bandwidth) of the measuring system. The widest possible dynamic range of the circuit is obtained if the influence of the interfering signals is minimized without this resulting in a limitation of the speed. Interference signals come from the equivalent input noise sources of the amplifier connected to the receiving electrode and from vibrations in the parasitic directions of movement mentioned earlier. The influence of these interference signals is amplified by the presence of the parasitic capacitance from the receiving electrode to ground. The influence of these interference signals is thus reduced by the aforementioned minimization of the parasitic input capacitance.
Bij bovengenoemde capacitieve sensor volgens de uitvinding is de relatieve permittiviteit van het medium waarin de sensor is opgenomen van directe invloed op de conversiefactor van de sensor. Derhalve is de nauwkeurigheid van deze sensor beperkt door deze genoemde invloed van de relatieve permittiviteit en de invloed hierop van o.a. temperatuur. Door nu de referentiecapaciteit van de in de ingangsversterker opgenomen integrator in hetzelfde medium onder te brengen als de sensorcapaciteit heeft variatie van de relatieve permittiviteit en de temperatuur geen invloed meer op de amplitude van het meetsignaal aan de uitgang van de integrator. Een zeer nauwkeurige meetschakeling ontstaat bij een volledig ratio-metrische detectie. Ook de invloed in variatie van de amplitude van de op de zendelektrode aangesloten periodieke spanning is hierin dan volledig geëlimineerd.In the abovementioned capacitive sensor according to the invention, the relative permittivity of the medium in which the sensor is incorporated has a direct influence on the conversion factor of the sensor. Therefore, the accuracy of this sensor is limited by the aforementioned influence of the relative permittivity and the influence thereof, inter alia, on temperature. By placing the reference capacitance of the integrator incorporated in the input amplifier in the same medium as the sensor capacitance, variation of the relative permittivity and the temperature no longer has any influence on the amplitude of the measuring signal at the output of the integrator. A very accurate measuring circuit is achieved with a full ratio-metric detection. The influence in variation of the amplitude of the periodic voltage connected to the transmitter electrode is then also completely eliminated.
Bij bovengenoemde sensor volgens de uitvinding is in eerste aanleg het meetbereik in principe maximaal gelijk aan de lengte van de aan de verplaatsing onderworpen elektrode. Dit zou betekenen dat voor grote meetbereiken een grote lengte van de afschermelektrode vereist is en dit houdt tevens in dat voor meting van de rotatie het meetbereik beperkt is tot maximaal l80°. Deze beperking kon worden opgeheven door de sensor volgens de uitvinding te segmenteren en een vergelijkingsschakeling op te nemen die bepaalt op welke segmenten van de sensor de afscherming zich bevindt. Elk segment kan op zich volledig ratiometrisch zijn uitgevoerd en de zendelektrode kan gemeenschappelijk zijn voor alle segmenten.In the above-mentioned sensor according to the invention, the measuring range is in principle at most equal to the length of the electrode subject to the displacement. This would mean that a large length of the shielding electrode is required for large measuring ranges and this also means that for measuring the rotation the measuring range is limited to a maximum of 180 °. This limitation could be overcome by segmenting the sensor according to the invention and including a comparison circuit which determines on which segments of the sensor the shield is located. Each segment can be fully ratiometric per se, and the transmit electrode can be common to all segments.
De uitvinding zal aan de hand van enkele uitvoeringsvormen nader worden toegelicht met verwijzing naar de tekeningen, waarin: figuur la en lb resp. een schematisch bovenaanzicht en zijaanzicht tonen van een bekende capacitieve sensor; figuur 2 een vervangingsschema geeft van de sensor van fig. 1; figuur 3 een schematisch zijaanzicht toont van een eerste uitvoeringsvorm van de sensor volgens de uitvinding; figuur 4 een verdere uitvoeringsvorm toont van de sensor volgens de uitvinding; figuur 5 n°g een verdere uitvoeringsvorm toont van de sensor volgens de uitvinding; figuur 6 een algemeen schema toont van een op de capacitieve sensor aangesloten meetschakeling volgens de uitvinding; figuur 7 weer een verdere uitvoeringsvorm toont van een sensor volgens de uitvinding voor meting van rotatie; figuur 8a en 8b een uitvoeringsvorm tonen van de sensor volgens de uitvinding voor meting van rotatie c.q. hoekverplaatsing; figuur 9 de capaciteit toont van de cirkelsegmenten van de sensor van fig. 7 als functie van de rotatie; en figuur 10 toont de opbouw van de bij de sensor volgens figuur 8 behorende meetschakeling.The invention will be explained in more detail with reference to a few embodiments with reference to the drawings, in which: figures 1a and 1b respectively. show a schematic top view and side view of a known capacitive sensor; Figure 2 shows a replacement diagram of the sensor of Figure 1; figure 3 shows a schematic side view of a first embodiment of the sensor according to the invention; figure 4 shows a further embodiment of the sensor according to the invention; figure 5 shows a further embodiment of the sensor according to the invention; figure 6 shows a general diagram of a measuring circuit according to the invention connected to the capacitive sensor; figure 7 shows yet a further embodiment of a sensor according to the invention for measuring rotation; figures 8a and 8b show an embodiment of the sensor according to the invention for measuring rotation or angular displacement; Figure 9 shows the capacity of the circle segments of the sensor of Figure 7 as a function of rotation; and figure 10 shows the structure of the measuring circuit associated with the sensor according to figure 8.
Fig. 1 toont in bovenaanzicht en in zijaanzicht schetsmatig de bekende capacitieve sensor. Met 1 en 3 zijn twee onderling geïsoleerde en vaste elektroden aangegeven, waarvan 1 een op een stuursignaalbron aangesloten zendelektrode en 3 een op een ingang van een meetschakeling aangesloten ontvangelektrode kan zijn. Met 2 is een aan de verplaatsing onderworpen geïsoleerde koppelelektrode boven de beide zend- en ontvangelek-troden en met 4 is een vaste afschermelektrode onder de beide eerstgenoemde elektroden aangegeven. Deze met signaalaarde verbonden elektrode 4 zorgt enerzijds voor elektrische afscherming van de strooivelden en anderzijds voor afscherming van de actieve elektroden 1 en 3 zodat zij via deze onderzijde geen capaciteit met elkaar vormen. De aan de bovenzijde van de vaste elektroden 1 en 3 aangebrachte elektrode 2 vormt een translatie- of rotatie afhankelijke bedekking van de eerder genoemde elektroden uit de sensor en is gekoppeld aan een van het toepassingsgebied af- hankelijk orgaan dat een te meten translatie of rotatie ondergaat.Fig. 1 shows the known capacitive sensor in plan view and in side view. 1 and 3 indicate two mutually insulated and fixed electrodes, 1 of which may be a transmitter electrode connected to a control signal source and 3 a receiver electrode connected to an input of a measuring circuit. 2 denotes a displaced insulated coupling electrode above the two transmit and receive electrodes, and 4 denotes a fixed shield electrode below the two first electrodes. This electrode 4 connected to signal ground provides on the one hand electrical shielding of the stray fields and, on the other hand, shielding the active electrodes 1 and 3 so that they do not form capacitance with each other via this bottom side. The electrode 2 disposed at the top of the fixed electrodes 1 and 3 forms a translation or rotation dependent cover of the aforementioned electrodes from the sensor and is coupled to a device dependent on the area of application which undergoes a translation or rotation to be measured .
De beide actieve elektroden, namelijk de met de stuurbron verbonden zendelektrode 1 en de ontvangelektrode 3 vormen een capaciteit Cs door het medium boven deze elektroden:The two active electrodes, namely the transmitting electrode 1 connected to the control source and the receiving electrode 3, form a capacitance Cs through the medium above these electrodes:
Cs = (eoer£/K)ln{(a+b)2/a(a+2b)}.Cs = (er £ / K) ln {(a + b) 2 / a (a + 2b)}.
Hierin is £ de gemeenschappelijke lengte van de niet-afgeschermde delen van de actieve elektroden, €0€r de permittiviteit van het medium boven de elektroden, a de afstand tussen de actieve elektroden en b de breedte van elk van de actieve elektroden. De met signaalaarde verbonden elektrode 4 aan de onderzijde alsmede de met signaalaarde verbonden verplaatsbare elektrode 2 aan de bovenzijde vormen een effectieve afscherming van de actieve elektroden zo lang de afstand van de beide genoemde geleiders 2 en 4 tot de actieve elektroden 1, 3 veel kleiner is dan (a+b).Here, the common length of the unshielded parts of the active electrodes, is the permittivity of the medium above the electrodes, a is the distance between the active electrodes and b is the width of each of the active electrodes. The electrode 4 connected to signal earth at the bottom as well as the movable electrode 2 connected to signal earth at the top form an effective shielding of the active electrodes as long as the distance from the two conductors 2 and 4 mentioned to the active electrodes 1, 3 is much smaller then (a + b).
In fig. 2 is een vervangingsschema van de sensor uit fig. 1 aangegeven, waarin de aanwezige en storende parasitaire capaciteiten Cpx van de zendelektrode en Cp2 van de ontvangelektrode zijn aangegeven. Met name de laatste aan de ingang van de meetschakeling is de storende en ruis versterkende parasitaire capaciteit.Fig. 2 shows a replacement diagram of the sensor of Fig. 1, in which the present and disturbing parasitic capacities Cpx of the transmitting electrode and Cp2 of the receiving electrode are indicated. In particular, the last at the input of the measuring circuit is the disturbing and noise-amplifying parasitic capacitance.
In fig. 3 is een uitvoeringsvorm van de capacitieve sensor volgens de uitvinding aangegeven. De zendelektrode 1 is aangesloten op een periodieke spanning van een signaalbron met zeer lage inwendige impedantie, en de ontvangelektrode 3 is aangesloten op een integratorschakeling met zeer lage ingangsoffsettspanning. De amplitude van het meetsignaal aan de uitgang van de integrator is evenredig met de sensorcapaciteit Cs en dus met de verplaatsing. Na demodulatie resteert alleen het gewenste ver-plaatsingssignaal. Doordat de afschermelektrode 2 dicht bij de zendelektrode 1 en zo ver mogelijk weg van de ontvangelektrode 3 is geplaatst wordt een aanzienlijke reductie van de parasitaire capaciteit Cp2 verkregen. Hierdoor zal de spanning daarover, d.w.z. de offsetspanning aan de ingang van de schakeling, klein blijven en zal variatie van de parasitaire capaciteit, die ontstaat door trilling en verplaatsing of in het algemeen door microfonie, een minimale invloed hebben op de uitgangsspanning van de meetschakeling. Door deze aanzienlijke reductie van de parasitaire ingangscapaciteit wordt derhalve een grotere resolutie en snelheid van de meting gerealiseerd bij een gelijk of kleiner energieverbruik van de elektronika, d.w.z. grotere bandbreedte en lagere ruis.Fig. 3 shows an embodiment of the capacitive sensor according to the invention. The transmit electrode 1 is connected to a periodic voltage of a signal source with a very low internal impedance, and the receive electrode 3 is connected to an integrator circuit with a very low input offset voltage. The amplitude of the measuring signal at the output of the integrator is proportional to the sensor capacitance Cs and thus to the displacement. After demodulation, only the desired displacement signal remains. Because the shielding electrode 2 is placed close to the transmitting electrode 1 and as far away from the receiving electrode 3 as possible, a considerable reduction of the parasitic capacitance Cp2 is obtained. As a result, the voltage across it, i.e., the offset voltage at the input of the circuit, will remain small, and variation of the parasitic capacitance arising from vibration and displacement or generally from microphones will have a minimal impact on the output voltage of the measuring circuit. Therefore, due to this significant reduction of the parasitic input capacitance, a higher resolution and speed of the measurement is realized with an equal or smaller energy consumption of the electronics, i.e. greater bandwidth and lower noise.
In figuur 4 is een verdere uitvoeringsvorm aangegeven in een gebalanceerde opstelling van beide samenstellen van elektroden aan de ingangs- en uitgangszijde. Door de twee zendelektroden aan te sturen met twee 1800 uit fase verschoven signalen en de beide stromen van de ont-vangelektroden af te trekken is een verbinding tussen de bewegende afschermende elektrode en signaalaarde niet meer nodig daar de afscherm-elektrode nu virtueel geaard is. Deze sensor wordt gebruikt voor het meten van hoekverplaatsing.Figure 4 shows a further embodiment in a balanced arrangement of both sets of electrodes on the input and output sides. By driving the two transmitter electrodes with two 1800 phase-shifted signals and subtracting both currents from the receiving electrodes, a connection between the moving shielding electrode and signal ground is no longer necessary since the shielding electrode is now virtually grounded. This sensor is used to measure angular displacement.
In fig. 5 is weer een andere ongebalanceerde uitvoeringsvorm aangegeven waarin de nauwkeurigheid van het meetsysteem verbeterd is door de bij de referentiecapaciteit van de ingangsintegrator van de meetschake-ling behorende elektroden in hetzelfde medium te plaatsen als dat van de te meten sensorcapaciteit Cs. Hierdoor wordt voor elke capaciteit dezelfde permittiviteit gerealiseerd en wordt een volledige compensatie voor variatie van de waarde daarvan verkregen. Een dergelijke ratiometrische uitvoering verhoogt de nauwkeurigheid van het systeem. Het spreekt vanzelf dat ook gebalanceerde uitvoeringsvormen van dit principe mogelijk zijn.Fig. 5 shows yet another unbalanced embodiment in which the accuracy of the measuring system is improved by placing the electrodes associated with the reference capacitance of the input integrator of the measuring circuit in the same medium as that of the sensor capacitance Cs to be measured. This achieves the same permittivity for each capacity and provides full compensation for variation in its value. Such a ratiometric design increases the accuracy of the system. It goes without saying that balanced embodiments of this principle are also possible.
In figuur 6 is het algemene schema aangegeven van een enkelvoudige sensor en bijbehorende meetschakeling. Op basis van een aan de modulator 11 en demodulator 12 toegevoerde frequentiesignaal fc wordt een gemoduleerd signaal aan de zendelektrode 1 toegevoerd. Het van de ontvangelek-trode 3 afgenomen signaal, dat afhankelijk is van de variërende sensorcapaciteit Cs, wordt toegevoerd aan de ingang van de ene keten 17 van de meetschakeling. Aan de ingang hiervan is een als integrator uitgevoerde verschilversterker 13 met een referentiecapaciteit Cref. Op deze integrator volgt een banddoorlaatfilter 14 en vervolgens een detector of demodulator 12. Hierop volgt een laagdoorlaatfilter 15 met daarop een A-D omzetter 16. Parallel aan de genoemde keten 17 is een referentieketen 18 aangebracht.Figure 6 shows the general scheme of a single sensor and associated measuring circuit. On the basis of a frequency signal fc supplied to the modulator 11 and demodulator 12, a modulated signal is applied to the transmitter electrode 1. The signal taken from the receiving electrode 3, which depends on the varying sensor capacitance Cs, is applied to the input of one circuit 17 of the measuring circuit. At the input thereof is a differential amplifier 13 designed as an integrator with a reference capacity Cref. This integrator is followed by a band-pass filter 14 and subsequently a detector or demodulator 12. This is followed by a low-pass filter 15 with an A-D converter 16 thereon. A reference circuit 18 is arranged parallel to said circuit 17.
Zoals eerder gesteld zou bij deze sensor volgens de uitvinding het meetbereik maximaal gelijk zijn aan de lengte van de aan de translatie of rotatie onderworpen elektrode. Dat betekent dat voor grote meetbereiken een grotere lengte van deze elektrode vereist is en impliceert dat voor het meten van rotatie het meetbereik beperkt is tot maximaal 180°. Dit is aangegeven in figuur 7 waaruit blijkt dat de aan de rotatie onderworpen en met signaalaarde verbonden afschermelektrode 2 die boven de vaste elektroden 1 en 3 beweegt, slechts een meetbereik heeft van maximaal 1800.As stated earlier, with this sensor according to the invention the measuring range would be maximally equal to the length of the electrode subjected to the translation or rotation. This means that a larger length of this electrode is required for large measuring ranges and implies that for measuring rotation the measuring range is limited to a maximum of 180 °. This is indicated in Figure 7, which shows that the shielding electrode 2 subjected to the rotation and connected to signal earth moving above the fixed electrodes 1 and 3 has only a measuring range of maximum 1800.
Door zoals gesteld de sensor te segmenteren en een vergelijkings-schakeling op te nemen die bepaalt op welke segmenten van de sensor de afscherming zich bevindt, wordt bovengenoemde beperking van het meetbe-reik opgeheven. Elk segment kan op zich ratiometrisch zijn uitgevoerd en de zendelektrode kan gemeenschappelijk zijn voor alle segmenten.By, as stated, segmenting the sensor and including a comparison circuit which determines on which segments of the sensor the shield is located, the above-mentioned limitation of the measuring range is removed. Each segment can be ratiometric in itself, and the transmit electrode can be common to all segments.
In de figuren 8a en 8b is een ui tvoeringsvoorbeeld van een sensor met gesegmenteerde elektroden voor het meten van rotatie aangegeven. Het betreft hier een ongebalanceerde uitvoeringsvorm. Figuur 8a toont een planaanzicht of lay-out van de op een gemeenschappelijke drager aangebrachte cirkelsegmentstructuren bestaande uit minimaal drie boogvormige uniplanaire capaciteiten. Deze capaciteiten Cs13a, Cs13b en Cs13c worden gevormd door één gemeenschappelijke (actieve) zendelektrode 1, verbonden met een stuurschakeling, en drie (actieve) ontvangelektroden 3a. 3b en 3c die elk zijn verbonden met een aparte meetschakeling. De drie genoemde boogsegmenten 3a, 3b en 3c vormen een cirkel. Figuur 8b toont een boven deze structuren aangebrachte en draaibare drager waarop een afschermelek-trode 2 van 180° is aangebracht die de drie gevormde capaciteiten meer of minder af schermt in afhankelijkheid van de hoek van de 180° boog ten opzichte van de drie genoemde ontvangelektroden. Er is derhalve een faseverschil tussen de door de capaciteiten als functie van de hoek afgegeven signalen. Hieruit kan de informatie omtrent de absolute hoek worden afgeleid.Figures 8a and 8b show an embodiment of a sensor with segmented electrodes for measuring rotation. This is an unbalanced embodiment. Figure 8a shows a plan view or layout of the circle segment structures mounted on a common support consisting of at least three arcuate uniplanar capacities. These capacitors Cs13a, Cs13b and Cs13c are formed by one common (active) transmitter electrode 1, connected to a control circuit, and three (active) receiving electrodes 3a. 3b and 3c, each of which is connected to a separate measuring circuit. The three mentioned arc segments 3a, 3b and 3c form a circle. Figure 8b shows a rotatable support mounted above these structures on which a 180 ° shielding electrode 2 is provided which shields the three capacities formed more or less depending on the angle of the 180 ° arc relative to the three said receiving electrodes. There is therefore a phase difference between the signals output by the capacitances as a function of the angle. From this the information about the absolute angle can be derived.
In figuur 8a is verder aangegeven op welke wijze de drie ontvang-segmentelektroden 3&> 3b en 3C met de segmenten 5a, 5b en 5c daarbuiten de referentiecapaciteiten voor de meetschakeling vormen. Op deze manier wordt, zoals eerder reeds gemeld, een compensatie gerealiseerd voor variatie van de relatieve diëlektrische constante. Van de drie hele cirkel-banen 6, 7 en 8 in het midden die samen twee referentiecapaciteiten vormen, is de cirkelbaan 6 verbonden met de zendelektrode 1. De referentiecapaciteiten Cref6i7 en Cref7t8 dienen als referentie voor het opwekken van de referentiespanning voor volledige ratiometrische detectie. Zij variëren niet bij een verdraaiing van de bovenste afschermplaat.Figure 8a further shows how the three receive segment electrodes 3 &> 3b and 3C with segments 5a, 5b and 5c outside them form the reference capacities for the measuring circuit. In this way, as previously mentioned, compensation is realized for variation of the relative dielectric constant. Of the three whole circle paths 6, 7 and 8 in the center which together form two reference capacities, the circular path 6 is connected to the transmitter electrode 1. The reference capacities Cref6i7 and Cref7t8 serve as reference for generating the reference voltage for full ratiometric detection. They do not vary when the top shield plate is turned.
Onder de hele cirkelbaan, de zendelektrode 1, ligt een cirkelbaan op signaalaardeniveau. Deze is wat breder dan de zendelektrode en samen met de aardvlakken naast de zendelektrode zorgt dit voor afscherming aan de onderzijde en de zijkanten.Below the whole circular path, the transmitter electrode 1, there is a circular path at signal level. This is a bit wider than the transmitter electrode and together with the earth surfaces next to the transmitter electrode, this provides shielding at the bottom and sides.
In figuur 9 is het verloop van de waarden van de drie capaciteiten in de sensor van figuur 8 als gevolg van de rotatie van de halve cirkelbaan 2 aangegeven. Met behulp van een vergelijkschakeling kan de waarde van de hoek eenduidig worden bepaald uit de gemeten waarden voor Cs1>3a, Csli3b en Csli3c.In figure 9 the variation of the values of the three capacities in the sensor of figure 8 as a result of the rotation of the semicircular path 2 is indicated. With the aid of a comparison circuit, the value of the angle can be unambiguously determined from the measured values for Cs1> 3a, Csli3b and Csli3c.
Figuur 10 geeft de opbouw van de totale meetschakeling voor de in figuur 8 aangegeven rotatiesensor met volledige ratiometrische detectie. Elke sensorcapaciteit wordt gevolgd door een eigen meetkanaal met versterker 23, banddoorlaatfilter 2b, detector 22, laagdoorlaatfilter 25, en A-D omzetter 26. Tevens is uitgaande van de referentiecapaciteiten Cref6i7 en Cref7ig een referentiekanaal voor volledige ratiometrische detectie toegevoegd. Op de drie A-D omzetters 26 volgt een vergelijkschakeling 27.Figure 10 shows the structure of the total measuring circuit for the rotation sensor indicated in Figure 8 with full ratiometric detection. Each sensor capacity is followed by its own measuring channel with amplifier 23, band-pass filter 2b, detector 22, low-pass filter 25, and A-D converter 26. Also, based on the reference capacities Cref6i7 and Cref7ig, a reference channel for full ratiometric detection has been added. A comparison circuit 27 follows the three A-D converters 26.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL9400736A NL9400736A (en) | 1994-05-04 | 1994-05-04 | Displacement-measuring capacitive sensor |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL9400736A NL9400736A (en) | 1994-05-04 | 1994-05-04 | Displacement-measuring capacitive sensor |
| NL9400736 | 1994-05-04 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NL9400736A true NL9400736A (en) | 1995-12-01 |
Family
ID=19864154
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NL9400736A NL9400736A (en) | 1994-05-04 | 1994-05-04 | Displacement-measuring capacitive sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| NL (1) | NL9400736A (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0241913A2 (en) * | 1986-04-15 | 1987-10-21 | Mitutoyo Mfg. Co., Ltd. | Method and circuitry for detecting signals of capacitance type transducers for measuring positions |
| EP0407020A1 (en) * | 1989-05-26 | 1991-01-09 | Cummins Electronics Company, Inc. | Electrostatic angle resolver |
| EP0448988A1 (en) * | 1990-03-27 | 1991-10-02 | FIFE GmbH | Apparatus for contactless detection of the position of a moving web |
-
1994
- 1994-05-04 NL NL9400736A patent/NL9400736A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0241913A2 (en) * | 1986-04-15 | 1987-10-21 | Mitutoyo Mfg. Co., Ltd. | Method and circuitry for detecting signals of capacitance type transducers for measuring positions |
| EP0407020A1 (en) * | 1989-05-26 | 1991-01-09 | Cummins Electronics Company, Inc. | Electrostatic angle resolver |
| EP0448988A1 (en) * | 1990-03-27 | 1991-10-02 | FIFE GmbH | Apparatus for contactless detection of the position of a moving web |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5643174B2 (en) | Capacitive displacement encoder | |
| US4851835A (en) | Capacitive rotary transmitter for controlling and positioning displaced objects | |
| US4429307A (en) | Capacitive transducer with continuous sinusoidal output | |
| US4205267A (en) | High speed electrostatic voltmeter | |
| US4864295A (en) | Capacitance sensing system using multiple capacitances to sense rotary motion | |
| JPH09280806A (en) | Electrostatic capacitance type displacement meter | |
| JP3579739B2 (en) | Variable capacitive transducer | |
| US6194903B1 (en) | Circuit for acquisition of the capacitance or capacitance change of a capacitive circuit element or component | |
| US4752727A (en) | Arrangement for detecting spatial inhomogeneities in a dielectric | |
| JPH05215506A (en) | Capacitive position sensor | |
| GB2176013A (en) | Variable capacitance type encoder | |
| CN102753931A (en) | Capacitive sensing system | |
| JP4488400B2 (en) | Impedance detection circuit | |
| JPH11190751A (en) | Circuit apparatus detecting capacitance or capacitance change | |
| US20080300808A1 (en) | Method for Signal Processing of Capacitive Measurement Scales | |
| JPH0749204A (en) | Capacity type measuring device | |
| KR100341966B1 (en) | Impedance-to-voltage converter and converting method | |
| NL9400736A (en) | Displacement-measuring capacitive sensor | |
| JPH0695043B2 (en) | Method and circuit device for measuring natural vibration characteristic of rotating object | |
| Brasseur | Modeling of the front end of a new capacitive finger-type angular-position sensor | |
| EP2733468B1 (en) | Capacitive position encoder | |
| SU1765686A1 (en) | Displacement capacitance-type transducer | |
| SU1272283A1 (en) | Device for measuring electrostatic contrast of periodically moving charged dielectric and semiconducor layers | |
| SU1597548A1 (en) | Pickup of object angle of slope | |
| SU1732143A1 (en) | Capacitive angular movement sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A1B | A search report has been drawn up | ||
| BV | The patent application has lapsed |