tm 5/2003 Winkelmessung mit planaren kapazitiven Sensoren Angular Measurement with Planar Capacitive Sensors H. Zangl, G. Brasseur, Technische Universität Graz Manuskripteingang: 06. Februar 2003; zur Veröffentlichung angenommen: 25. Februar 2003. Neben magnetischen und optischen Methoden zur kontaktlosen Winkelmessung haben sich in letzter Zeit kapazitive Sensoren als robuste Alternative für industrielle und Automobil- Applikationen etabliert. Diese Sensoren erreichen Genauigkeiten von 0,1 ◦ und besser bei möglichen Messraten von über 10 kHz. Die heute gängigen Arten von kapazitiven Sensoren für diese Anwendungen verwenden getrennte Sende- und Empfangsplatinen, was in vielen Fällen aufgrund von erschwerter Montage und zusätzlichem Platzbedarf (und zusätzlichen Kosten) unerwünscht ist. Ebenso befindet sich die Auswerteelektronik bei diesen Sensoren in unmittelbarer Nähe zu den Elektroden, weshalb sich diese Sensoren nicht für besonders raues Umfeld eignen. Das in dieser Arbeit beschriebene Verfahren verwendet eine gemein- same Platine für Sender und Empfänger, wobei die Auswerteelektronik bis zu einem gewissen Grad räumlich von den Elektroden getrennt sein kann. Dadurch können im eigentlichen Sensorraum hohe Temperaturen und Drücke vorherrschen, ohne dass der Sensor dadurch beeinträchtigt würde. Besides magnetical and optical methods for non-contacting angular position measure- ment, capacitive sensors have proven reliability in automotive and industrial applications. Accuracies of 0.1 ◦ and better are commonly achieved at reading frequencies above 10 kHz. Typically these sensors use separate transmitter and receiver boards, which is a draw back in some applications because of additional space requirements and a time consuming and thus costly assembly. Furthermore, the proximity of the electronic circuitry to the electro- des prevents the application of such sensors in harsh environments. The paper presents a novel design of a single board planar sensor, where the electronics and the electrodes can be spatially separated allowing high temperature and pressure in the effective sensor space. Schlagwörter: Kapazitive Sensoren, Winkelmessung, planar, BEM Keywords: Capacitive Sensors, angular measurement, planar, BEM 1 Einleitung Aufgrund der Verfügbarkeit von kleinen, kostengünstigen, robusten elektronischen Komponenten, welche bei der ka- pazitiven Sensorik ben¨ otigt werden, finden diese Sensoren zunehmend mehr Anwendungen; auch im industriellen und Automobil-Bereich [1; 2]. Zur Bestimmung eines Winkels über die Messung von Kapazit¨ aten wurden in den letzten Jahren eine Vielzahl an Designs vorgestellt. Dabei k¨ onnen Verfahren mit • elektrisch leitf¨ ahigen Rotoren • Rotoren aus Dielektrika unterschieden werden. In Bild 1 sind Vertreter der beiden Verfahren gegenüberge- stellt. Ersterer arbeitet nach dem Prinzip der elektrischen Schirmung durch einen auf Massepotential befindlichen Rotor. Dabei tr¨ agt der abgedeckte Bereich des Senders nicht zur Kopplungskapazit¨ at bei. Sammelt sich Schmutz auf dem Rotor an, so wird dadurch die Schirmwirkung nicht beeintr¨ achtigt. Dielektrische Rotoren [6;7] haben den Vorteil, dass sie prinzipiell vollst¨ andig kontaklos arbeiten. Die Variation der Kapazit¨ at zwischen Sender und Empf¨ anger wird durch Einbringung eines Materials, das gegenüber dem restli- chen Messraum eine h¨ ohere (oder niedrigere) Dielektri- tm – Technisches Messen 70 (2003) 5  Oldenbourg Verlag 233 Brought to you by | University Paris-Sud Authenticated Download Date | 4/26/19 7:27 PM