DE2448950A1

DE2448950A1 - Einrichtung zum messen von lageaenderungen

Info

Publication number: DE2448950A1
Application number: DE19742448950
Authority: DE
Inventors: Robert Wayne Kulterman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-12-20
Filing date: 1974-10-15
Publication date: 1975-06-26
Also published as: JPS5821685B2; DE2448950B2; SE403653B; JPS5096250A; GB1469677A; CA1023825A; SE7415898L; DE2448950C3; NL183784C; FR2255576A1; IT1026647B; US3898635A; NL7416100A; CH578165A5; FR2255576B1; NL183784B; ES433104A1

Description

Böblingen, den 10. Oktober 1974

Anmelderin: International Business Machines

- Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: RA 973 010

Einrichtung zum Messen von Lageänderungen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem übertrager zum Feststellen von Lageveränderungen zwischen einem sich bewegenden und feststehenden Bauteil und insbesondere mit einem Hochfrequenzübertrager , der für Lageabfühleinrichtungen einsetzbar ist und der in einem Frequenzbereich der Größenordnung zwischen 1 bis 10 MHz arbeitet und bei der der Detektorverstärker eine mittelangezapfte Detektorspule zum Abfühlen der Nulldurchgänge des induzierten Signals benutzt.

In den Vereinigten Staaten ist schon eine große Anzahl von grundsätzlichen Patenten auf mit Hochfrequenz arbeitende, induktive Lageabfühleinrichtungen erteilt worden. Auch sind bereits zahlreiche Verbesserungen in den verschiedensten Teilen der Schaltung, der Anordnung der verschiedenen Teile in der Vorrichtung, patentiert worden. Beispiele für diesen umfangsreicheh Stand der Technijk findet sich in folgenden US-Patentschriften:

3 086 151 3 673 584 2 924 798 3 441 888

3 090 934 2 942 212 2 799 835 2 650 352

2 915 721 2 924 768 2 849 668 2 836 803

3 064 218 3 551 649 3 176 241

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Alle die obengenannten Patentschriften betreffen ganz allgemein Hochfrequenzübertrager für die induktive Lageabfühlung und zeigen dabei Verbesserungen in den verschiedensten Bereichen auf, durch die ganz allgemein die Auflösung dieser Vorrichtung verbessert, der Einfluß von induktiven Streufeldern und Störsignalen vermindert und auch die Anwendung solcher Lageabfühlübertrager in Steuersystemen usw. verbessert wird.

Ein gemeinsames Merkmal des Standes der Technik kann wohl darin gesehen werden, daß man die Abmessungen bei der Herstellung der Primärwicklung und der Sekundärwicklung sehr genau eingehalten hat und daß auch ein sehr präzises Einhalten des gegenseitigen Abstandes zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung ein wesentliches Erfordernis war. Diese Faktoren sind insbesondere deswegen von Bedeutung, weil Änderungen in der gegenseitigen Anordnung von Primärwicklung zu Sekundärwicklung Schwankungen des aufgenommenen oder abgefühlten Signals zur Folge haben, welche wiederum in der Vorrichtung zur Lagefeststellung Fehler erzeugen, die nicht zugelassen werden können.

In gleicher Weise haben die bisher bei hochfrequenten induk- j tiven Anordnungen auftretenden Schwierigkeiten meist dazu geführt,; daß man vorzugsweise die Maxima des induzierten Signals für die Anzeige benutzt hat. Das hat natürlicherweise dazu geführt, daß man sorgfältig aufgebaute Detektorschaltungen für die Maximalamplitude benötigte und aufbaute, mit deren Hilfe man in der Lage war, den Zeitpunkt und die Lage des Auftretens des Maximums _; des Spannungssignals sicher festzustellen. Solche Schaltungen ;

sind im allgemeinen viel komplizierter und teurer, als erwünscht.

In Präzisionsanwendungsgebieten, auf die sich die meisten zum ! Stand der Technik bekannten Veröffentlichungen beziehen, sind | die zusätzlichen Kosten enger Toleranzen und sonstiger Ein- ! schränkungen der tatsächlichen Konstruktion zulässig, da diese Systeme im allgemeinen in Werkzeugmaschinen oder in anderen Apparaten, die ein hohes, investiertes Kapital darstellen, be-

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nutzt werden, so daß die zusätzlichen Kosten zum Erzielen der erforderlichen Präzision tragbar sind. Die bisher bekannten Vorrichtungen lassen sich jedoch nicht bei Ausführungsformen mit niedriger Toleranz, geringen Abmessungen und im allgemeinen geringen Kosten verwirklichen, da durch die verschiedenen Auswirkungen eines veränderlichen Abstandes zwischen Primär- und Sekundärwicklung oder durch induzierte Felder im Hintergrund oder ähnliche Schwierigkeiten Fehler auftreten, wie dies aus vielen der zuvor genannten US-Patentschriften klar hervorgeht.

Die zuvor dargelegten Schwierigkeiten nehmen mit zunehmender^· Frequenz des der Primärwicklung zugeführten Eingangssignals zu. Im-Hochfrequenzbereich bei etwa 10 MHz finden sich im Stand der Technik keine Lösungen, entweder weil die oben geschilderten schwierigen, technischen Probleme auftreten oder aber, weil bei diesen hohen Frequenzen die Signalmaxima sehr schwer feststellbar sind. I

Aufgabe der Erfindung ist es also, einen Hochfrequenzübertrager für einen Lagedetektor zu schaffen, bei dem die Einflüsse der I von der Umgebung auf die Primärwicklung induzierten Störsignale auf neuartige Weise umgangen, werden. Vorzugsweise werden dabei die Null-Durchänge des induzierten Signals anstelle der Maxima ausgenutzt. Insbesondere soll dabei auch erreicht werden, daß die physikalischen Toleranzen zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung nicht so kritisch zu sein brauchen und so hohe Anforderungen an die Fertigungstechnik stellen, wie dies bisher !bekannt war.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ganz allgemein durch einen, im Bereich zwischen 1 und 10 MHz arbeitenden Hoch-,frequenzoszillator gelöst, der eine mittelängezapfte Sekundärwicklung oder Abnahmewicklung speist, die mit einem Verstärker-Detektor verbunden ist, der die Nulldurchgänge des induzierten Signals feststellt.

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Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der' Erfindung sind den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt:

! Fig. 1 schematisch eine allgemeine Ausführungsform

! zum Stand der Technik,

! Fig. 2 ein Signal, das in dem Verstärkerdetektor festgestellt würde, wenn man in der Primärwicklung eine Hochfrequenz von etwa 5 MHz benutzt und

' wenn dieses Signal in der Sekundärwicklung ^;

einer gemäß dem Stande der Technik aufgebauten

Schaltung festgestellt würde, wie sie in ;

Fig. 1 dargestellt ist, wenn eine Relativbe- i

wegung zwischen Primär- und Sekundärwicklung j

stattfindet. !

Fig. 3 die Orte längs der Längsausdehnung der Primärwicklung, bei der durch die Schaltung gemäß Fig. 1 Nulldurchgänge in der amplitudenmodulierten Einhüllenden des in der Sekundärwicklung erzeugten und induzierten Signals beobachtet würden und zeigt außerdem die Punkte, an denen die Maxima auftreten,

Fig. 4 schematisch die relativen Stellungen zwischen

einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung bei zwei verschiedenen Ausrichtungen, bei denen das Maximalsignal und das Minimalsignal durch induktive Kopplung zwischen den beiden Wicklungen übertragen wird,

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Fig. 5 schematisch eine verallgemeinerte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 die Einhüllende eines amplitudenmodulierten

Signals., wie es durch eine Schaltung gemäß Fig. 5 festgestellt wird,

iFig. 7 den Ort der Nulldurchgänge des Signals· in

Fig. 6,

Fig. 8A bis 8D das in der Primärwicklung gemäß der vorliegen- : den Erfindung verwendete Hochfrequenzsignal

und die als Funktion der Relativposition der

; beiden Wicklungen zueinander in der Sekundär

wicklung induzierten Signale,

Fig. 9 das gleichgerichtete Ausgangssignal des Ver-

■ - stärker-Detektors,

iFig. 10 schematisch die funktionale und logische An-I Ordnung des Verstärker-Detektors,

I ■■■·-.

■Fig. 11 eine spezifische Ausführungsform einer Schal-

■ tungsanordnung zur Durchführung der Erfindung I und

JFig. 12 einen Hochfrequenzoszillator, wie er bei der I vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann.

r ■ . -

j In Fig. 1 ist ganz allgemein eine typische Ausführungsform des !Standes der Technik dargestellt, bei der ein Hochfrequenzoszillator 1, der im allgemeinen im Bereich zwischen T und 100 kHz arbeitet, mit einer Primärwicklung 2 verbunden ist, die aus einer !Anzahl mäanderförmiger Schleifen 3 besteht. Die einzelnen Schleifen 3 haben im allgemeinen voneinander einen gleich großen Abstand der hier mit Δ bezeichnet ist, und die einzelnen Leiter 4, die die

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einzelnen Schleifen 3 bilden, weisen im allgemeinen einen Abstand auf, der durch einen konstanten Faktor Σ gegeben ist. Die Primärwicklung 2 ist im allgemeinen auf einem Träger befestigt, der entweder flach und langgestreckt oder zylinderförmig sein kann und die Sekundärwicklung 5 ist auf einem entsprechenden, parallel auf Abstand angeordneten Träger befestigt, der entweder feststehend oder beweglich sein kann. Die Sekundärwicklung 5 besteht aus gleichartigen, einzelnen Schleifen 3, die aus Leitungsstücken 4 bestehen und in denen ein induziertes Signal e.. entsprechend der relativen, linearen Position zwischen Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 5 erzeugt wird. Ein Verstärker-Detektor 6 nimmt das Eingangssignal e.. auf und liefert daraus ein verstärktes Ausgangssignal e₂.

Im Stande deB||Technik, auf den unter Bezugnahme auf- die verschiedenen bekannten Patente hingewiesen wurde, ergab sich eine Reihe von konstruktiven Schwierigkeiten, die erkannt und zum Teil auch gelöst wurden. Fig. 2 zeigt ein Signal, wie es typisch am Ausgang des Verstärkers 6 in Abhängigkeit von einem hochfrequenten Eingangssignal in der Größenordnung zwischen 1 und 10 MHz auftritt, das vom Oszillator 1 an die Primärwicklung 2 der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung abgegeben wird, wenn ein solches Signal in der Sekundärwicklung 5 induziert wird.

In Fig. 2 ist die Signaleinhüllende e.., die in der Abhnahmespule oder Sekundärwicklung 5 induziert und dem Eingang des Verstärkers 6 zugeführt wird, in senkrechter Richtung als Funktion der Horizontalposition der Sekundärwicklung 5 in bezug auf die Primärwicklung 2 dargestellt. Bewegt man die Sekundärwicklung 5, wenn sie sich z.B. auf einem bewegbaren Element eines Lagedetektorsystems befindet, dann wird durch Induktion in der Sekundärwicklung 5 eine Einhüllende eines Signals, wie sie hier dargestellt ist, erzeugt. Wie noch später im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert wird, treten verschiedene Maxima und Minima mit einem Abstand auf, der von dem Abstand Δ zwischen den einzelnen Schleifen 3 der Wicklungen 2 und 5 abhängt. Man sieht in Fig. 2, daß

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die Maximalamplitude ganz präzise in Abständen von Δ auftritt,

während die mit 7 bezeichneten Minima nicht mit einem regel- ;

mäßigen Abstand auftreten, was auf die Amplitudenschwankungen ί

als Funktion der Stellung der Wicklungen 5 und 2 zueinander zu- \

rückzuführen ist. Die Gründe dafür werden später erläutert. ,

In Fig. 3 ist das Ausgangssignäl des Verstärkers 6, das Signal j e„, in seiner Amplitude über der Verschiebung zwischen den \ Wicklungen 2 und 5 aufgetragen. Es sei dabei angenommen, daß der Verstärker 6 derart aufgebaut ist, daß er die Maximalampli- j tude in jedem Abschnitt der Signaleinhüllenden feststellt und einen verstärkten einzigen Impuls zu dem Zeitpunkt abgibt, an . dem das Maximum der Einhüllenden festgestellt wird, wie dies j in Fig. 3 durch die typischen Ausgangsimpulse 8 dargestellt ist. Man sieht, daß der Abstand zwischen diesen Impulsen 8 etwa gleich groß ist und in der Theorie exakt gleich sein und dem Abstand Δ zwischen benachbarten Schleifen der Primär- und Sekundärwicklungen 2 bzw. 5 entsprechen sollte. Diesen Impulsen überlagert, sind in Fig. .3 gestrichelt die Orte der Minimä- oder Nullpunkte der Signaleinhüllenden von Fig. 2 dargestellt, die durch einen entsprechend aufgebauten Detektorverstärker feststellbar sind, über den dann die Nulldurchgänge des Signals ermittelt werden können. Diese Ausgangssignale sind dann als Impulse 9 in Fig. 3 gezeigt. Man sieht, daß der Abstand der Impulse 9 als Funktion der Verschiebung unregelmäßig ist und den. Nulldurchgängen 7 in Fig. 2 entspricht.

In Fig. 4 sind schematisch die zwei Positionen zwischen einer ' Primärwicklung 2 und einer Sekundärwicklung oder Abnahmewicklung : 5 dargestellt. In der ersten Position A sind die einzelnen Schleifen 3 der Sekundärwicklung oder Abnahmewicklung 5 genau ; mit den gegenüberliegenden Schleifen 3 der Primärwicklung 2 ausigerichtet. Zur schematischen Darstellung der Fig. 4 ist zu sagen, daß die Sekundärwicklung 5 allgemein über der Primärwicklung liegend angeordnet sein wird, wie dies aus Fig. 1 deutlicher zu erkennen ist, so daß die volle Länge der Leiter 4

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miteinander induktiv gekoppelt ist. Die Position A ist die Stellung, bei der zwischen den Wicklungen 2 und 5 eine maximale Kopplung besteht und das in der Abnahmewicklung oder Sekundärwicklung 5 induzierte Maximasignal ist durch die Orte der Maxima ι 8 in Fig. 3 dargestellt. Dieses Verhältnis ist immer dann rich- ! tig, wenn die einzelnen Schleifen 3 der beiden Wicklungen 2 und ^! 5 miteinander exakt ausgerichtet sind. In der Position B ist die Wicklung 5 gegenüber der Wicklung 2 um die Strecke 1/2 Σ ver- ; schoben und das Minimumsignal 9 in Fig. 3 würde zum Zeitpunkt 7 , in Fig. 2 erzeugt, da in diesem Fall eine nur sehr lose Kopplung ι besteht. Theoretisch wird in der bei B dargestellten Position ^: die Energie null übertragen. Man erkennt jedoch aus Fig. 2, daß die Signaleinhüllende in Wirklichkeit am Punkt 7 nicht auf null zurückgeht, der den verschiedenen Positionen B in Fig. 4 entspricht. Das ist auf eine Reihe von Gründen zurückzuführen, ins- '. besondere auf den Aufbau eines Streufeldes, das von der Primärwicklung 2 ausgeht und durch die Sekundär- oder Abhnahmewicklung 5 praktisch unabhängig von der gegenseitigen, jeweiligen .Verschiebung in bezug auf die Wicklung 2 aufgenommen wird. Das Streufeld ist auch für die Verstärkung des in der Sekundärwicklung induzierten Signals in den Positionen A verantwortlich und liefert die Abschnitte hoher Amplitude des in Fig. 2 gezeigten Signals e.j. Das Streufeld verringert auch das Signal an miteinander abwechselnden Positionen A, so daß dort die Signaleinhüllende kleiner ist als an den anderen damit abwechselnden Positionen in Fig. 2. Dieses dieser Anordnung eigentümliche Problem wird mit wachsendem Abstand zwischen den Wicklungen 2 und 5 in zueinander parallelen Ebenen schlimmer und hat im Stand der Technik zu den zahlreichen Versuchen geführt, den Spalt oder Abstand zwischen den Wicklungen zu verringern, und man hat in manchen Fällen sogar zusätzliche Abschirmungen oder geerdete Elemente benutzt, um das Hintergrundfeld zu unterdrücken. Das Problem wird auch als Funktion einer immer höher werdenden Frequenz immer schlimmer.

Erhöht man die Frequenz, bei der der Oszillator 1 schwingt, auf die Größenordnung von 1 bis 10 MHz, so kann man dadurch die

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zwischen den Wicklungen 2 und 5 erforderliche Abstandstoleranz herabsetzen, die erfüllt werden muß, da ein zum Abfühlen brauchbares Signal bei höheren Frequenzen über einen Luftspalt wirksamer ausgekoppelt werden kann. Läßt man jedoch einen größeren Abstand zwischen den Wicklungen zu, so erhöht man dadurch auch den Betrag des Streufeldes, der in der Wicklung induziert wird und erhöht damit die abwechselnde Verstärkung und Dämpfung des in Fig. 2 dargestellten induzierten Signals e₁.

Im Zusammenhang mit Fig. 5 wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, die die zuvor erwähnten Schwierigkeiten des Standes der Technik verringert und gleichzeitig die Forderungen auf ein sorgfältiges Einhalten des Abstands zwischen Wicklungen 2 und 5 reduziert und außerdem die Einwirkung des Streufeldes des in Fig. 2 gezeigten induzierten Signals e₁ reduziert oder beseitigt.

In Fig. 5 ist ein Verstärker-Detektor 6 mit der Wicklung 5 in üblicher Weise verbunden, jedoch ist ein zusätzlicher Anschluß fan einer Mittelanzapfung 10 der Sekundärwicklung 5 am Verstär- ^:ker 6 hochfrequenzmäßig auf Erdpotential angeschlossen. Diese ;zusätzliche Mittelanzapfung 10 liefert ein vollständig anderes iund unerwartetes Ergebnis, wenn sie mit dem hochfrequenzmäßig !geerdeten Punkt des Hochfrequenzoszillators 1 verbunden wird. Die Einwirkung des Streufeldes auf das induzierte Signal e* verschwindet, wie dies aus Fig. 6 zu erkennen ist und man eri'hält regelmäßige Abstände der einzelnen Abschnitte der Signaleinhüllenden mit ungefähr gleich großen Maximal- bzw. Minimal- !amplituden und mit einem tatsächlich auftretenden Nullpunkt oder ]Nulldurchgang zwischen den einzelnen Maxima. Wie aus Fig. 7 zu erkennen, liefert der Verstärker 6 am Nullpunkt, wenn der Verstärker 6 so aufgebaut ist, daß er die Spannung null oder den Nulldurchgang der Signaleinhüllenden e.. feststellt, ein Ausgangssignal, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Man erhält !also eine Impulsfolge mit regelmäßigem, gleichförmigem Abstand, !welche den Nulldurchgängen entspricht, statt —wie bisher -

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einen unregelmäßigen Abstand, den man erhält, wenn man die Nulldurchgänge oder Signalminima als Auslösepunkt für den Verstärker-Detektor 6 benutzt.

Diese verbesserte Wirkung wird erzielt, wenn der Abstand zwischen der Wicklung 5 und der Primärwicklung 2 etwa 1/2 Δ beträgt. Ein Abstand von 40 % von Δ liefert die beste Auflösung des Signals für eine Signaleinhüllende e... Eine weitere Verbesserung erzielt man dadurch, daß man eine leitende Abschirmung auf der Rückseite der Schaltungskarte anbringt, auf der die Wicklung 2 angebracht ist und diese Abschirmung hochfrequenzmäßig mit Erde verbindet, da dadurch verhindert wird, daß ernstliche Streufelder in die Vorrichtung hinein abegestrahlt werden, oder, da hier mit Hochfrequenz gearbeitet wird, zu verhindern, daß hochfrequente Streufelder das Bedienungspersonal erreichen können, das in der Nähe einer Maschine arbeitet, in der eine solche Detektoreinrichtung ! eingebaut ist.

ίFign. 8A bis 8D zeigen schematisch die verschiedenen Signale ι als Funktion einer Verschiebung zwischen Sekundärwicklung 5 und ■Primärwicklung 2, wobei das Eingangssignal der Primärwicklung in Fig. 8A dargestellt ist. Das in Fig. 8B dargestellte, in der \ Sekundärwicklung 5 induzierte Signal ergibt sich, wenn diese j Wicklungen so angeordnet sind, daß die Leiter 4 der Wicklungen 5 und 2 miteinander ausgerichtet sind, wie dies dort gezeigt ist. In Fig. 8C ist das in der Wicklung 5 induzierte Signal e.. 'für die Position dargestellt, bei der die Wicklung 5 gegenüber der Primärwicklung 2 um den Abstand 1/2 Δ verschoben ist. Wie dargestellt, wird der Signalpegel in dieser Position zu null, wenn die Mittelanzapfung 10 hochfrequenzmäßig an Erde angeschlossen ist und dieses Nullpotential wird durch die waagrechte Achse in Fig. 8A angedeutet. In Fig. 8D ist das Signal e.. gezeigt, das dann auftritt, wenn die Sekundärwicklung 5 um den Abstand Δ aus seiner Anfangsposition in Fig. 8A bewegt worden ist. Wie man ganz eindeutig aus den einzelnen Pfeilen erkennt, die den Stromfluß in der Wicklung 2 darstellen (der dem in

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Wicklung 5 induzierten Strom entspricht), ergibt sich hierbei eine Phasenumkehr um 180°, wenn man die Sekundärwicklung aus der Position in Fig. 8B in die Position der Fig. 8D bewegt, so daß der amplitudenmodilierte Signalpegel durch null gehen muß, statt zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert zu schwanken, wie dies für den Stand der Technik in Fig. 2 dargestellt ist. Man erhält dadurch bessere und eindeutiger definierte Nulldurchgänge des so erzeugten Signals und dies trägt zusammen mit der gleichförmigen Amplitude des in Fig. 6 dargestellten Signals, das unter Verwendung der Mittelanzapfung 10 erzeugt wird, spürbar zur Genauigkeit und dem Gesamtbetriebsverhalten einer Einrichtung ^!zum Feststellen einer Position bei, die in dieser Weise aufgebaut ist. Um die Wirkung der Nulldurchgänge noch weiter zu ver- ;bessern, wird das verstärkte Signal e₂ gleichgerichtet und gefiltert zum Signal e '. Zwischen den eigentlichen Signalamplituden des Signals e,' sind die einzelnen Nulldurchgänge sehr genau definiert. Verwendet man die Nullpunkte der amplitudenmodulierten Einhüllenden von Fig. 9, die denen der Einhüllenden in Fig. 6 entsprechen, aus welchen dann das Ausgangssignal der Fig. 7 abgeleitet wird, dann wird die Genauigkeit beträchtlich ι erhöht.

Der Grund dafür ist leicht aus den Fign. 8 und 9 zu erkennen, wobei das wichtigste Merkmal des festgestellten Signals e_ der \scharf definierte Einschnitt am Nullpunkt ist. Mit der Ausnahme ;von kleinen, aus der Umgebung aufgenommenen Störsignalen geht .das amplitudenmodulierte Signal an diesem Punkt aus den in \Zusammenhang mit Fign. 8A bis 8D dargestellten und dargelegten Gründen tatsächlich durch null. Als weiterer Vorteil dieser •Lösung, bei der die Mittelanzapfung 10 hochfrequenzmäßig geerdet ist, besteht darin, daß die Relativposition zwischen Primärwicklung 2 und Sekundärwicklung 5 beim Auftreten des endgültig !abgegebenen Ausgangsimpuls nicht so empfindlich auf den Spalt ■zwischen Primär- und Sekundärwicklung reagiert, wie dies beim Stand der Technik der Fall war. Der Grund für diese verringerte Empfindlichkeit für den Spaltabstand liegt darin, daß bei höhe-

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ren Frequenzen eine bessere Kopplung erzielt wird, wie dies bereits erläutert wurde und daß die stark verbesserte Auflösung durch Verwendung der Nullpunkte oder Nulldurchgänge bei der Feststellung der Relativposition zwischen Primär- und Sekundärwicklung sehr genau arbeitet, wenn diese gegeneinander bewegt ' werden.

; Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß

Primär- und Sekundärwicklung in einfachster Weise auf gedruckten Schaltungskarten aufgebracht werden können, da eine genau über- ;

wachung der Abstandstoleranzen nicht erforderlich ist. Gedruckte ' ! Schaltungskarten können trotz ihrer etwas unebenen Oberfläche

benutzt werden. Außerdem können der Hochfrequenzoszillator 1 und ! die Verstärker-Detektorschaltung 6 auf den gleichen Schaltungs- ! karten wie die Primär- und Sekundärwicklung untergebracht werdji, ! da sich Verstärker und Detektoren für Hochfrequenzsignale in der Größenordnung von 1 bis 10 MHz, wie sie bei vorliegender Er- \ findung benutzt werden, leicht in Form von integrierten Schal- ' tungen aufbauen lassen.

In Fig. 10 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungs- j form des Verstärkers 6 dargestellt, der außerdem noch als Signaldetektor arbeitet. Das Eingangssignal wird dem Verstärker 6 von einer sich bewegenden Sekundärwicklung oder Abnahmewicklung 5 zugeleitet, die so abgestimmt ist, daß sie ihre maximale Empfindlichkeit bei einem amplitudenmodulierten Primäreingangssignal von etwa 4,3 MHz mit zwei Seitenbändern und unterdrücktem Träger aufweist und dann ihre Maximalamplitude liefert. Die Wicklung 5 ist mit einem 1500 Picofarad-Kondensator C1 so abgestimmt, daß sich eine maximale Signalamplitude von 540 Millivolt Spitze-Spitze + 20 % ergibt. Der Kondensator C1 ist auf der gleichen Schaltungskarte wie das die integrierte Schaltung tragende Halbleiterplättchen befestigt, das die übrigen Schaltungsteile des Verstärkers 6 enthält. Wie bereits erwähnt, ist die in j das Eingangssignal eingeführte Amplitudenmodulation eine Funktion der Position der Sekundärwicklung in bezug auf die Primärwicklung.

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Sie ist außerdem eine Punktion der Geschwindigkeit der Sekundär- : wicklung 5. Wenn im Verstärker-Detektor 6 das differentielle Eingangssignal unterhalb einem festgestellten Eingangspegel von ungefähr 30 Millivolt Spitze-Spitze liegt, der durch eine Bezugsspannungsquelle mit Schwellwert geliefert wird, dann ist das ' Ausgangssignal e₂=null, während im übrigen die Schaltung so eingestellt ist/ daß sie bei einem zweiten Pegel von ungefähr 5 Volt ; arbeitet. Eine genauere Beschreibung der Schaltung des Verstärkers! 6 wird anhand einer schematisch in Fig. 11 dargestellten Aus- j führungsform gegeben. ■

: Das abgestimmte Eingangssignal der Wicklung 5 wird dem Eingang j 12 in Fig. 11 zugeführt und gelangt dort an den Eingang eines Differentialverstärkers 13, der eine einfache Nenn-Spannungsverstärkung von 17 liefert. Der Verstärker 13 besteht aus den Transistoren Q1 und Q2 mit den Lastwiderständen R2 und R3.

; Die Schwellwert-Bezugsspannungsquelle 11 besteht aus den Widerständen R6 und R7, die einen Spannungsteiler bilden. Die Spannung 'am Verbindungspunkt von R6 mit R7 ist eine konstante vom Ein-I gangssignal am Differentialverstärker 13 unabhängige Gleichspanj nung und die Spannung fällt durch den Stromfluß über die BasisjEmitter-Übergänge der Transistoren Q8 und Q9 auf einen niedrigen I Pegel ab. Die Spannung an den Emitterelektroden von Q8 und Q9 ist die Schwellwert-Bezugsspannung, die einem Eingang einer Vergleichsstufe 14 an der Basis des Transistors Q11 zugeführt wird.

Die Spannung an den Emittern der Transistoren Q5 und Q6 entsteht durch Vollweggleichrichtung des den Basiselektroden dieser Transistoren zugeführten differentiellen Signals zuzüglich einer konstanten Gleichspannung, die festliegt, unabhängig davon, ob ein Eingangssignal anliegt oder nicht. Fügt man die Widerstände |r4 und R5 in Reihe mit den Basiselektroden der Transistoren Q5

ι ■■■".-

I und Q6 ein, dann wird die Gleichspannung, die dem vollweg-I gleichgerichteten Signal hinzuaddiert wird, gleich; der Schwell-¹wert-Bezugsspannung, die von der Schwellwert-Bezugsspannungs-

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quelle 11 kommt.

Das Ausgangssignal des Vollweggleichrichters 15, der aus den Transistoren Q5 und Q6 besteht, wird wegen des Spannungsabfalls über dem Widerstand R8 um etwa 0,11 Volt in negativer Richtung verschoben. Diese so verschobene Signalspannung wird einer anderen Differential-Vergleichsstufe mit dem Transistor Qi2 zugeleitet, wobei das Eingangssignal an dessen Basiselektrode zugeführt wird und dieses Signal wird außerdem auf einen externen Kondensator mit einer Kapazität von 1500 Picofarad gegeben, der zum !Aussieben noch vorhandener hochfrequenter Bestandteile dient. Die Differential-Vergleichsstufe 14 besteht aus den Transistoren ;Q11 und Q12 und die Vergleichereingänge liegen an den Basiselektroden. Ist Q11 eingeschaltet, dann sind auch die Transistoren Q14, Q15 und Q16 eingeschaltet, wobei die Transistoren Q14 und Q15 einem PNP-Transistor mit großem Beta entsprechen, während der Spannungsteiler R10, R11 die richtige AnSteueramplitude für den Ausgangstransistorschalter 16 in der Ausgangsstufe 17 liefert.

Die Arbeitsweise der in Fig. 10 schematisch und in Fig. 11 im [Detail dargestellten Schaltung ist wie folgt: Das Eingangssignal e₁ wird an der mittelangezapften Sekundärwicklung 5 erzeugt, wobei die Anzapfung 10 an einem 1,6 Volt Gleichspannungs-Bezugspegel als Hochfrequenz-Erde angeschlossen ist. Diese Spannung wird durch einen Spannungsteiler erzeugt, der an einer 5-Volt-Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, wobei der Widerstand von j

i R1 620 0hm und von R2 300 0hm beträgt. Liegt kein Signal an, dann ; ist die Basis des Transistors Q11 um 0,11 Volt negativer als die Basis des Transistors Q12. Die Transistoren QII, 14, 15 und 16 sind daher eingeschaltet. Das Eingangssignal, das die Vergleichsstufe eben noch einschaltet, erhöht die am Ausgang des Vollweggleichrichters 15 auftretende Spannung um 0,11 Volt, so daß die Basiselektroden der Transistoren Q11 und Q12 auf der gleichen Spannung liegen, wodurch Q14 abgeschaltet wird.

Die in Fig. 11 dargestellte Schaltung wird vorzugsweise als inte- _m ₉₇₃ οίο 509826/0657

grierte Schaltung auf einem Halbleiterplättchen ausgeführt, könnte aber genausogut aus diskreten Bauelementen aufgebaut sein. In gleicher Weise könnte eine Reihe ähnlicher Detektor- und Ver- j Stärkerschaltungen für den Verstärker-Detektor- 6 in üblicher Wei- ; se aufgebaut sein, die genausogut arbeiten würden, vorausgesetzt, \ . daß eine Mittelanzapfung 10, wie beschrieben, hochfrequenzmäßig ] auf Erdpotential gehalten wird. -

• In Fig." 12 ist eine Ausführungsform des mit der Primärwicklung verbundenen Hochfrequenzoszillators 1 dargestellt, der der Erzeugung eines sinusförmigen Ausgangssignals bei etwa 4,3 MHz I + 8 % dient.

■; Die Kondensatoren C1 bis C4 und die Spule L2 mit dem linearen Emitter (der tatsächlich die Primärwicklung 2 ist) bilden einen Schwingkreis. Die Wicklung 2 ist so ausgelegt, daß sie eine Im-

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pedanz von —g-j + 10 % bei 4,3 MHz_- aufweist. Der Transistor 18 zieht einen durch den Vorwiderstand R2 festgelegten Strom.

ίDie anderen Bauelemente und -werte sind wie.dargestellt und es handelt sich hierbei um einen typischen Clapposzillator. C4 ist . der Rückkopplungskondensator und die Wicklung 2 ist die Indukti- _; vität, die auf die Schaltungskarte der Primärwicklung aufgebracht wird. Die Induktivität L2 ist eine diskrete Spule, die der Ver-

[ besserung der L:C-Verhältnisses des abgestimmten Schwingkreises dient und hat eine Induktivität von ungefähr 2,2 mHy + 5 %. Die Widerstände R1 und R2' sind so gewählt, daß die Vorspannung des Transistors so eingestellt ist, daß dieser als A-Verstärker arbeitet. Diese Forderungen lassen sich auch durch eine Reihe von ähnlichen Schaltungen erfüllen und die kurze Darstellung der Forderungen und einer Ausführungsform sollte genügen, den bevorzugten Aufbau einer solchen Schaltung klar darzulegen.

Es wurde festgestellt, daß die neue Einrichtung zum Messen und Feststellen einer Lageänderung zwischen zwei Bauteilen, welche mit induziertem Hochfrequenzstrom arbeitet, eine besonders günstige Lösung darstellt, da durch diese neue Anordnung die bis-

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her aufgetretenen Schwierigkeiten überwunden werden können. Diese ■neue Anordnung läßt sich aus kleinen, leichten Bauelementen herstellen, die leicht auf Substraten von gedruckten Schaltungen angebracht werden können, auf denen dann auch die Primär- und Sekundärwicklungen aufgebracht sind, ohne daß sich durch die nicht ganz ebene Oberfläche, die für Schaltuhgskarten charakterxstxsch ist, irgendwelche nachteiligen Wirkungen ergeben. Man erkennt leicht, daß die hier beschriebene Schaltung keinesfalls aufwendig ist und daß die Gesamtkonstruktion und die Einzelheiten dieser Ausführungsform der Erfindung bei geringen Kosten mit einem einfachen, unkritischen Aufbau verwirklicht werden können, bei dem hohe Präzision der Toleranzen gegenüber bekannten, mit Hochfrequenz arbeitenden Abfühleinrichtungen, nicht erforderlich ist. Diese Einrichtung hat sich als besonders gut brauchbar jund vorteilhaft erwiesen in einem Drucker mit sich bewegendem !Druckkopf, der längs einer Druckplatte oder Druckwalze läuft und wo es darauf ankommt, ganz genau zu wissen, wo sich der Druckkopf bei jedem Schritt seiner Bewegung längs seiner .Bahn befindet.

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Claims

PAT EMT ANSPRÜCHE

Einrichtung zum Feststellen von Lageänderungen zwischen relativ zueinander beweglichen Bauteilen unter Verwendung eines aus Primär- und Sekundärwicklung bestehenden Übertragers,

, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einem Hochfrequenzoszillator (1) gespeiste, mäanderförmige Primärwicklung (2) und eine dazu parallel liegende, mäanderförmige, mit

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! der Primärwicklung gekoppelte Sekundärwicklung (5) mit

^; einer Mittelanzapfung (10) vorgesehen ist und daß über

• der Sekundärwicklung (5) ein Verstärker-Detektor (6)

derart angeschlossen ist, daß die Mittelanzapfung (10)

[ hochfrequenzmäßig an Erde liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß j der Verstärker-Detektor (6) der Feststellung der Nulldurchgänge an den Stellen der durch eine Relativbewegung j zwischen Primär- und Sekundärwicklung verursachten Minima ; des in der Sekundärwicklung (5) induzierten Signals dient.

Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Primär- und Sekundärwicklung etwa halb so groß ist wie der Abstand (Δ) zwischen benachbarten Leiterpaaren (4) oder Schleifen (3) jeder der beiden Wicklungen (2,5).

Einrichtung nach den Ansprüchen T bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gegenüber Erdpotential erzeugte hochfrequente Ausgangssignal des HF-Oszillators (1) bei einer Frequenz von etwa 1 bis 10 MHz liegt.

RA 973 οίο ' 509826/0 657

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des HF-Oszillators bei etwa 5 MHz liegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelanzapfung (10) der Sekundärwicklung (5) mit dem Erdpotential des HF-Oszillators (1) und mit dem Verstärker-Detektor (6) verbunden ist und damit den Verstärker-Detektor hochfrequenzmäßig auf das Erdpotential des HF-Oszillators legt.

οίο 509826/0857

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