DE102011087494B4 - Capacitive sensor for position or motion detection - Google Patents

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Abstract

Kapazitiver Drehgeber mit einem Hochfrequenzgenerator (1) zur Erzeugung eines Sendesignals (S), einem ersten Stator (2) mit einer Sendeelektrode (21), einem Rotor (3) als Winkelgeber mit einer Rotorelektrode (31, 32) einem zweiten Stator (4) mit Empfangselektrodenpaaren (41), wobei die Verteilung der empfangenen Verschiebungsströme von der Winkelstellung des Rotors (3) beeinflussbar ist, mit vom Sendesignal (S) gesteuerten Schaltmischern (5), integrierenden Strom-Spannungswandlern (6), einer digitalen Auswerteeinheit (7) und/oder analogen Auswerteeinheiten (8) und einem Stellglied (9) zur Beeinflussung der Amplitude und/oder der Frequenz des Hochfrequenzgenerators (1), dadurch gekennzeichnet, dass Empfangselektrodenpaare (41) über Schaltmischer (5) alternierend mit integrierenden Strom-Spannungswandlern (6) verbunden werden und deren Ausgänge mit der digitalen Auswerteeinheit (7) und/oder mit analogen Auswerteeinheiten (8) verknüpft sind.Capacitive rotary encoder with a high-frequency generator (1) for generating a transmission signal (S), a first stator (2) with a transmission electrode (21), a rotor (3) as an angle encoder with a rotor electrode (31, 32), a second stator (4) with pairs of receiving electrodes (41), the distribution of the received displacement currents being influenced by the angular position of the rotor (3), with switching mixers (5) controlled by the transmission signal (S), integrating current-voltage converters (6), a digital evaluation unit (7) and / or analog evaluation units (8) and an actuator (9) for influencing the amplitude and / or the frequency of the high-frequency generator (1), characterized in that pairs of receiving electrodes (41) alternate with integrating current-voltage converters (6) via switching mixers (5) are connected and whose outputs are linked to the digital evaluation unit (7) and / or to analog evaluation units (8).

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor zur Lage- oder Bewegungserkennung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors beansprucht.The invention relates to a capacitive sensor for position or motion detection according to the features of the preamble of claim 1. Furthermore, a method for operating a capacitive sensor according to the invention is claimed.

Kapazitiver Sensoren zur Lage- oder Bewegungserkennung, insbesondere Drehgeber oder auch Drehwinkelgeber, werden hauptsächlich in der Automatisierungstechnik aber auch im Fahrzeugbau als Drehwinkelsensoren eingesetzt, um Winkelstellungen bei Drehbewegungen zu erfassen. Beispiele sind die Lenkwinkelerfassung im Kraftfahrzeug und die Positionserfassung von rotierenden Bauteilen von Maschinen. Man unterscheidet hierbei zwischen Inkremental-Drehgebern und absolut messenden Sensoren.
Beide Sensortypen werden in den verschiedensten Ausführungen unter anderem auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Kapazitive Sensoren werden vor allem wegen ihres einfachen Aufbaus, der damit verbundenen geringen Herstellungskosten, ihres niedrigen Energiebedarfs und ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern geschätzt. Nachteilig ist ihr Driftverhalten, insbesondere der Temperaturdrift und ihre Anfälligkeit gegen elektromagnetische Strahlung wegen der als Empfangsantennen wirkenden Elektroden.
Solche Sensoranordnungen weisen üblicherweise mehrere gegeneinander versetzte meist auf konzentrischen Ringen angeordnete Sendeelektroden und eine gemeinsame oft abgeschirmte Empfangselektrode auf. Ein als Fahne bezeichnetes bewegliches Element, insbesondere ein Rotor, mit einer elektrisch leitfähigen Struktur beeinflusst die Amplitude der seriell übertragenen Signale der Sendeelektroden in Abhängigkeit vom Drehwinkel.
Die elektrisch leitfähige Struktur auf der Fahne muss weder geerdet noch elektrisch mit der Sensorelektronik verbunden sein. Sie verkürzt lediglich den effektiven Plattenabstand.
Capacitive sensors for position or motion detection, in particular rotary encoders or rotary encoders, are mainly used in automation technology but also in vehicle construction as rotary angle sensors in order to detect angular positions during rotary movements. Examples are the steering angle detection in motor vehicles and the position detection of rotating components of machines. A distinction is made between incremental rotary encoders and absolute measuring sensors.
Both types of sensors are manufactured and sold in various designs by the applicant, among others.
Capacitive sensors are valued primarily because of their simple design, the associated low manufacturing costs, their low energy requirements and their insensitivity to magnetic fields. Disadvantages are their drift behavior, in particular the temperature drift and their susceptibility to electromagnetic radiation because of the electrodes acting as receiving antennas.
Such sensor arrangements usually have a plurality of mutually offset transmitting electrodes, usually arranged on concentric rings, and a common, often shielded, receiving electrode. A movable element referred to as a flag, in particular a rotor, with an electrically conductive structure influences the amplitude of the serially transmitted signals of the transmission electrodes as a function of the angle of rotation.
The electrically conductive structure on the flag neither has to be grounded nor electrically connected to the sensor electronics. It only shortens the effective plate spacing.

Aus der US 6 876 209 B2 und der US 2010 / 0 222 967 A1 sind absolute Drehwinkelgeber bekannt, die sich besonders für Automobilanwendungen zur Erfassung der Winkelstellung eines drehbaren Körpers, wie z.B. einer Lenksäule eines Kraftfahrzeugs eignen. Die US 6 876 209 B2 weist einen Drehkondensator auf, deren Sender- und
Empfängerelektrodenfläche so bemessen sind, dass eine Winkelbewegung des Rotors eine Kapazitätsänderung auslöst. Der Sensor enthält Mittel zum Messen der induzierten Ladung an den Empfängerelektroden, wodurch die Ladungen die Winkelpositionen des drehbaren Körpers anzeigen.
Ferner ist aus der DE 10 2007 058 707 A1 ein Kapazitätssensor bekannt.
Die EP 1 251 338 A1 zeigt einen kapazitiven Sensor und ein Verfahren zur Messung von vier konzentrisch in zwei Ringen jeweils halbkreisförmig um die Drehachse angeordnete Sendeelektroden auf. Dabei überlappen sich die halbringförmigen Sendeelektroden um 90°. Zwischen dieser unbeweglichen Anordnung und einer ebenfalls unbeweglichen Empfangselektrode ist eine um mindestens 360° verdrehbare Fahne (Rotor) angeordnet, die eine vom Drehwinkel abhängige Änderung der Kapazitätsverteilung zwischen den vier Sendeelektroden und der Empfangselektrode bewirkt. Von einer Steuereinheit werden die vier Sendeelektroden nacheinander mit einem Rechteckgenerator verbunden. An die Empfangselektroden sind ein Messverstärker und danach ein Analog-Digitalwandler angeschlossen. Als ungünstig wird die serielle Abwicklung der Messung angesehen, die sich bei höherer Elektrodenzahl (Lupenfunktion) extrem nachteilig bemerkbar macht. Neben der Verringerung der Schaltfrequenz gehen alle Schwankungen des Sendesignals, aber auch die Drift der Empfangselektronik in das Messergebnis ein.
Die WO 00/ 63 653 A2 ( DE 600 16 395 T2 ) zeigt verschiedene kapazitive Drehwinkelsensoren, die zur Erfassung der Position einer rotierenden Welle dienen.
Sie umfassen entweder einen mehrteiligen Sender und einen einteiligen Empfänger oder einen einteiligen Sender und einen sektorierten Empfänger. Ein an sich bekanntes Grob- und Feinmuster der Elektroden soll die Winkelauflösung erhöhen.
In einer ersten Ausführung in 9 sind mindestens 4 Sendeelektroden vorhanden, die durch eine Vier-Phasen-Wechselstromquelle mit einem 10kHz- Rechtecksignal angeregt werden. Ein als Strom-Spannungswandler ausgeführter Ladungsverstärker verstärkt die vom Drehwinkel abhängigen Verschiebungsströme und bildet das gewichtete Summensignal der vier Erregungsspannungen. Ein von der Wechselstromquelle gesteuerter Aktivgleichrichter erzeugt zwei um 90° gegeneinander versetzte Signale , die als Sinus- und Cosinusfunktion bezeichnet werden. Deren konkreter Verlauf hängt allerdings von der Elektrodenform ab. In einer zweiten Ausführung in 10 dieser Druckschrift wird das Sendesignal einer einteiligen Sendeelektrode von vier kreisringsektorförmigen Empfangselektroden (Empfängerquadrantenplatten) erfasst und Strom-Spannungswandlern zugeführt. Paarweise mit deren Ausgängen verbundene Differenzverstärker erzeugen die oben genannten um 90° gegeneinander versetzten vom Drehwinkel abhängigen Sinus- bzw. Cosinussignale. Problematisch ist die Trägerfrequenz von lediglich 10 kHz, weil sie relativ nahe bei den Signalfrequenzen der Drehzahlmessung liegt. Das erfordert insbesondere bei den fein strukturierten Rotoren Tiefpässe höherer Ordnung zur Glättung des Empfangssignals.
Bei höheren Trägerfrequenzen würden Strom-Spannungswandler mit entsprechend hoher Bandbreite benötigt. Außerdem besteht die Gefahr des kapazitiven Übersprechens zwischen den vier Empfangskanälen, aus denen die Sinus- und Cosinussignale gewonnen werden.
Bei der seriellen Verarbeitung nach 9 gehen die Amplitudenschwankungen des Sendesignals und bei der parallelen Verarbeitung nach 10 die Toleranzen der Strom-Spannungswandler in das Messergebnis ein.
From the US 6 876 209 B2 and the US 2010/0 222 967 A1 absolute rotary encoders are known which are particularly suitable for automotive applications for detecting the angular position of a rotatable body, such as a steering column of a motor vehicle. The US 6 876 209 B2 has a variable capacitor, the transmitter and
The receiver electrode area is dimensioned in such a way that an angular movement of the rotor triggers a change in capacitance. The sensor includes means for measuring the induced charge on the receiver electrodes, whereby the charges indicate the angular positions of the rotatable body.
Furthermore, from the DE 10 2007 058 707 A1 a capacitance sensor known.
The EP 1 251 338 A1 shows a capacitive sensor and a method for measuring four transmitter electrodes arranged concentrically in two rings, each semicircular around the axis of rotation. The semicircular transmission electrodes overlap by 90 °. Between this immovable arrangement and a likewise immovable receiving electrode there is a flag (rotor) which can be rotated by at least 360 ° and which changes the capacity distribution between the four transmitting electrodes and the receiving electrode depending on the angle of rotation. The four transmitter electrodes are connected one after the other to a square wave generator by a control unit. A measuring amplifier and then an analog-digital converter are connected to the receiving electrodes. The serial processing of the measurement is viewed as unfavorable, as it is extremely disadvantageous with a higher number of electrodes (magnifying glass function). In addition to reducing the switching frequency, all fluctuations in the transmission signal, but also the drift of the receiving electronics, are included in the measurement result.
The WO 00/63 653 A2 ( DE 600 16 395 T2 ) shows various capacitive rotation angle sensors that are used to detect the position of a rotating shaft.
They comprise either a multi-part transmitter and a single-part receiver or a single-part transmitter and a sectored receiver. A known coarse and fine pattern of the electrodes is intended to increase the angular resolution.
In a first version in 9 there are at least 4 transmitter electrodes, which are excited by a four-phase alternating current source with a 10kHz square wave signal. A charge amplifier designed as a current-voltage converter amplifies the displacement currents dependent on the angle of rotation and forms the weighted sum signal of the four excitation voltages. An active rectifier controlled by the alternating current source generates two signals offset from one another by 90 °, which are referred to as the sine and cosine functions. However, their specific course depends on the shape of the electrodes. In a second version in 10 In this document, the transmission signal of a one-piece transmission electrode is recorded by four circular-ring sector-shaped reception electrodes (receiver quadrant plates) and fed to current-voltage converters. Differential amplifiers connected in pairs to their outputs generate the above-mentioned sine and cosine signals, which are offset from one another by 90 °, depending on the angle of rotation. The problem is the carrier frequency of only 10 kHz because it is relatively close to the signal frequencies of the speed measurement. In the case of the finely structured rotors, in particular, this requires high-order low-pass filters to smooth the received signal.
At higher carrier frequencies, current-voltage converters would have a correspondingly high bandwidth needed. In addition, there is a risk of capacitive cross-talk between the four receiving channels from which the sine and cosine signals are obtained.
In serial processing after 9 follow up the amplitude fluctuations of the transmitted signal and during the parallel processing 10 the tolerances of the current-voltage transformers in the measurement result.

Die für eine hochgenaue Messung erforderliche Regelung des Sendesignals wird in der DE 10 2007 038 225 A1 gezeigt. Das hierzu benötigte Referenzsignal wird mit Hilfe einer zusätzlichen Referenzelektrode gewonnen. Diese zusätzliche Elektrode benötigt natürlich Sensorfläche und damit Platz auf den Winkelkodierscheiben, der bei manchen Applikationen gar nicht vorhanden ist. Als Ausweg bleibt die sicherlich nachteilige Verkleinerung der für die eigentliche Winkelmessung wirksamen Empfangsfläche.The control of the transmission signal required for high-precision measurement is implemented in the DE 10 2007 038 225 A1 shown. The reference signal required for this is obtained with the aid of an additional reference electrode. Of course, this additional electrode requires a sensor surface and therefore space on the angle encoder disks, which is not even available in some applications. One way out is the certainly disadvantageous reduction in size of the receiving surface effective for the actual angle measurement.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen insbesondere als Drehgeber geeigneten kapazitiven Sensor anzugeben, der störsicher ist und bei geringen äußeren Abmessungen eine hohe Messgenauigkeit besitzt.The object of the invention is to specify a capacitive sensor that is particularly suitable as a rotary encoder, which is immune to interference and has high measurement accuracy with small external dimensions.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors angegeben.This object is achieved according to the features of claim 1. The subclaims relate to the advantageous embodiment of the invention. Furthermore, a method for operating a capacitive sensor according to the invention is specified.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die phasensynchrone Gleichrichtung und die Differenzbildung unmittelbar an den Empfangselektroden vorzunehmen. Dazu werden die Empfangselektroden paarweise mit Aktivgleichrichtern, bzw. Schaltmischern verbunden. Das Differenzsignal entsteht an deren antiparallel geschalteten Ausgängen.
Die dazu verwendeten analogen Multiplexer können das Differenzsignal nicht verfälschen, weil über deren Bahnwiderstand von 2,5 Ohm fällt praktisch keine Spannung abfällt.
Die aus dem o. g. Stand der Technik bekannte Strommessung durch virtuelle Erdung der Empfangselektroden wird also beibehalten. Allerdings erfolgt die Strom-Spannungswandlung vorteilhafterweise erst nach der Gleichrichtung bzw. Mischung und der Differenzbildung. Auf diese Weise haben die nachgeordneten Strom-Spannungswandler nur noch Gleichstrom bzw. die aus der Drehbewegung resultierenden vergleichsweise niederfrequenten Signale zu verarbeiten. Deren Toleranzen, insbesondere die der Widerstände, gehen weniger in das Messergebnis ein. Das Signal-Rausch-Verhältnis kann durch Erhöhung der Arbeitsfrequenz verbessert werden, ohne dass die Anforderungen an die Bandbreite der Empfangskanäle steigen.
Eine Verkleinerung der wirksamen Elektrodenflächen ist auf diese Weise ebenfalls möglich. So kann der Hohlwellendurchmesser erhöht oder die Baugröße verringert werden. Weil die Spannung an den Eingängen der Strom-Spannungswandler Null beträgt, kann praktisch kein Übersprechen zwischen den Leitungen bzw. Elektroden der Empfangskanäle stattfinden.
The main idea of the invention is to carry out the phase-synchronous rectification and the difference formation directly on the receiving electrodes. For this purpose, the receiving electrodes are connected in pairs with active rectifiers or switching mixers. The difference signal arises at their anti-parallel connected outputs.
The analog multiplexers used for this cannot falsify the difference signal, because practically no voltage drops across their track resistance of 2.5 ohms.
The current measurement known from the above-mentioned prior art by virtual grounding of the receiving electrodes is therefore retained. However, the current-voltage conversion takes place advantageously only after the rectification or mixing and the difference formation. In this way, the downstream current-voltage converters only have to process direct current or the comparatively low-frequency signals resulting from the rotary movement. Their tolerances, especially those of the resistors, are less included in the measurement result. The signal-to-noise ratio can be improved by increasing the operating frequency without increasing the demands on the bandwidth of the receiving channels.
A reduction of the effective electrode areas is also possible in this way. In this way, the hollow shaft diameter can be increased or the size can be reduced. Because the voltage at the inputs of the current-voltage converters is zero, there is practically no crosstalk between the lines or electrodes of the receiving channels.

Ein zweiter Erfindungsgedanke besteht darin, die Amplitude des Empfangssignals durch Veränderung der Sendefrequenz zu regeln. So kann der Sender mit konstanter Amplitude, beispielsweise mit digitalen Logiksignalen, wie Transistor-Transistor-Logik (TTL), arbeiten. A second idea of the invention consists in regulating the amplitude of the received signal by changing the transmission frequency. The transmitter can work with constant amplitude, for example with digital logic signals such as transistor-transistor logic (TTL).

Ein dritter Erfindungsgedanke besteht darin, das zur Amplitudenregelung benötigte Referenzsignal nicht in der bekannten Weise mit einer Referenzelektrode, sondern rechnerisch durch Summation von Empfangssignalen, insbesondere aus dem Sinussignal und dem Cosinussignal zu gewinnen. Dadurch wird wertvolle Sensorfläche eingespart.A third idea of the invention consists in obtaining the reference signal required for amplitude control not in the known manner with a reference electrode, but computationally by summing received signals, in particular from the sine signal and the cosine signal. This saves valuable sensor space.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert

  • 1 zeigt die Prinzipschaltung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors.
  • 2 zeigt ein etwas detailliertes Ausführungsbeispiel für einen kapazitiven Drehgeber
  • 3 zeigt eine Schaltung zur Gewinnung des Differenzsignals der Empfangselektroden.
  • 4 und 5 zeigen die Erzeugung eines Referenzsignals aus den Sensorsignalen
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing
  • 1 shows the basic circuit of a capacitive sensor according to the invention.
  • 2 shows a somewhat detailed exemplary embodiment for a capacitive rotary encoder
  • 3 shows a circuit for obtaining the difference signal of the receiving electrodes.
  • 4th and 5 show the generation of a reference signal from the sensor signals

Die 1 zeigt einen kapazitiven Sensor zur Lage- oder Bewegungserkennung. Ein Hochfrequenzgenerator 1 (VCO) erzeugt ein Sendesignal S, das gleichzeitig als Taktsignal T dient. Das durch zwei Inverter verzögerte Sendesignal S wird einem Differentialkondensator 10 zugeführt, der aus einem ersten Stator 2, einem mechanischen Messelement 3 und einem zweiten Stator 4 besteht.
Der Differentialkondensator 10 weist eine Sendeelektrode 21 und zwei Empfangselektroden 41 auf. Das Kapazitätsverhältnis des Differentialkondensators 10 wird vom Messelement 3 (Fahne) durch örtliche Verkürzung des effektiven Plattenabstandes (Luftspalt) beeinflusst.
The 1 shows a capacitive sensor for position or motion detection. A high frequency generator 1 (VCO) generates a transmission signal S. that is used simultaneously as a clock signal T serves. The transmission signal delayed by two inverters S. becomes a differential capacitor 10 fed from a first stator 2 , a mechanical measuring element 3 and a second stator 4th consists.
The differential capacitor 10 has a transmitting electrode 21st and two receiving electrodes 41 on. The capacitance ratio of the differential capacitor 10 is from the measuring element 3 (Flag) influenced by local shortening of the effective plate spacing (air gap).

Das Empfangselektrodenpaar 41 ist mit einem vom Hochfrequenzgenerator 1 (VCO) gesteuerten Schaltmischer 5 verbunden. Hier entsteht ein Differenzsignal A-B, welches die Differenz der Verschiebungsströme in den Empfangselektroden 41 repräsentiert.
Bei ruhendem Messelement 3 ist das ein Gleichstromsignal, welches in der Mittelstellung mit zwei identischen Teilkapazitäten des Differentialkondensators 10 zu Null wird.
Das am Schaltmischer 5 entstehende Stromsignal wird zunächst geglättet, um es von Resten des hochfrequenten Sendesignals zu befreien und anschließend in eine Spannung verwandelt. Das geschieht mit Hilfe des integrierenden Strom-Spannungswandlers 6, der aus einem Tiefpass 6a und dem eigentlichen Strom-Spannungswandler 6b besteht.
Diese Spannung ist ein Maß für das vom Messelement 3 abhängige Kapazitätsverhältnis im Differentialkondensator 10. Nach Digitalisierung und Weiterverarbeitung im Mikrocontroller 7 kann sie als Positions- oder Schaltsignal ausgegeben werden.
Der Mikrocontroller 7 ist über ein Stellglied 9 mit dem Hochfrequenzgenerator 1 verbunden. So kann die Oszillatorfrequenz des VCO über ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) vom Mikrocontroller 7 gesteuert werden. Über ein ebenfalls mit dem Mikrocontroller verbundenes Widerstandsnetzwerk ist zusätzlich eine Frequenzspreizung möglich, die zur Verbesserung der Störfestigkeit und zur Verringerung der Störabstrahlung dient.
The pair of receiving electrodes 41 is with one of the high frequency generator 1 (VCO) controlled switching mixer 5 connected. A difference signal arises here FROM , which is the difference in the displacement currents in the receiving electrodes 41 represents.
With the measuring element at rest 3 is a direct current signal, which in the middle position with two identical partial capacitances of the differential capacitor 10 becomes zero.
That on the mixer tap 5 The resulting current signal is first smoothed in order to free it from residues of the high-frequency transmission signal and then converted into a voltage. This is done with the help of the integrating current-voltage converter 6 from a low pass 6a and the actual current-voltage converter 6b consists.
This voltage is a measure of that of the measuring element 3 dependent capacitance ratio in the differential capacitor 10 . After digitization and further processing in the microcontroller 7th it can be output as a position or switching signal.
The microcontroller 7th is via an actuator 9 with the high frequency generator 1 connected. The oscillator frequency of the VCO can be determined via a pulse-width modulated signal (PWM) from the microcontroller 7th to be controlled. Using a resistor network, which is also connected to the microcontroller, frequency spreading is also possible, which serves to improve the immunity to interference and to reduce the radiated interference.

Die 2 zeigt einen erfindungsgemäßen kapazitiven Drehgeber in einer vereinfachten Darstellung. Der Hochfrequenzgenerator 1, ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO), erzeugt ein Rechtecksignal von 2 - 4 MHz. Da als Betriebsspannung 5 Volt gewählt wurde, entsteht ein TTL-Signal. Dieses TTL-Signal steuert die Schaltmischer 5 und speist eine auf alle Empfangselektroden 41 wirkende Sendeelektrode 21 auf dem ersten Stator 2.
Um die Umschaltzeiten der Schaltmischer 5 zu kompensieren und ihnen darüber hinaus noch einen zeitlichen Vorsprung gegenüber den Schaltflanken des Sendesignals zu geben, wird das Sendesignal S durch zwei Inverter des Typs 74HC14 um ca. 2 x 12 Nanosekunden verzögert. So schalten Schaltmischer 5 im stromlosen Zustand um.
Als Schaltmischer 5 wurden hier monolithische Analogmultiplexer des Typs ADG749 von Analog Devices eingesetzt. Sie haben einen typischen Durchlasswiderstand Ron = 2 Ohm. Die Umschaltung im stromlosen Zustand vermeidet die Temperaturdrift der analogen Multiplexer und verringert so den Einfluss der Umschaltvorgänge auf das Messergebnis. Der Verzicht auf Vorverstärker, d. h. die niederohmige Umschaltung ohne vorherige Verstärkung, vermeidet den Einfluss von Widerstandstoleranzen bei der Differenzbildung. Auf dem zweiten Stator 4 sind Empfangselektroden A bis H paarweise so angeordnet, dass die sie von den Rotorelektroden 31 und 32 beeinflussbare Differentialkondensatoren bilden. Die Empfangselektrodenpaare 41 sind über Schaltmischer 5 mit den integrierenden Strom-Spannungswandlern 6 verbunden. Die Integrierenden Strom-Spannungswandler 6 sind nur symbolisch dargestellt. Sie weisen einen Tiefpass und einen entsprechend beschalteten Operationsverstärker auf. Der Eingang des Operationsverstärkers befindet sich virtuell auf Massepotential, so dass eine Strommessung stattfinden kann.
Die Ausgänge der integrierenden Strom-Spannungswandler 6 sind mit dem Mikrocontroller 7 verbunden. Hier werden die Signale digitalisiert und weiter verarbeitet.
The 2 shows a capacitive rotary encoder according to the invention in a simplified representation. The high frequency generator 1 , a voltage controlled oscillator (VCO), generates a square wave signal of 2 - 4 MHz. As operating voltage 5 Volt is selected, a TTL signal is generated. This TTL signal controls the switching mixer 5 and feeds one to all receiving electrodes 41 effective transmitting electrode 21st on the first stator 2 .
To the switching times of the switching mixer 5 to compensate and, moreover, to give them a time advantage over the switching edges of the transmission signal, the transmission signal S. delayed by two inverters of the type 74HC14 by approx. 2 x 12 nanoseconds. This is how switching mixers switch 5 when de-energized.
As a switch mixer 5 monolithic analog multiplexers of the type ADG749 from Analog Devices were used here. They have a typical forward resistance Ron = 2 ohms. Switching in the de-energized state avoids the temperature drift of the analog multiplexer and thus reduces the influence of the switching processes on the measurement result. Dispensing with preamplifiers, ie low-resistance switching without prior amplification, avoids the influence of resistance tolerances when forming the difference. On the second stator 4th are receiving electrodes A. to H Arranged in pairs so that they are separated from the rotor electrodes 31 and 32 Form influenceable differential capacitors. The receiving electrode pairs 41 are about switching mixer 5 with the integrating current-voltage converters 6 connected. The integrating current-voltage converters 6 are only shown symbolically. They have a low-pass filter and a correspondingly wired operational amplifier. The input of the operational amplifier is virtually at ground potential so that a current measurement can take place.
The outputs of the integrating current-voltage converters 6 are with the microcontroller 7th connected. Here the signals are digitized and processed further.

Der Rotor 3 besteht vorzugsweise aus einer 1,5 mm starken FR4-Platte. Das Material FR4 ist selbst nicht leitfähig, trägt aber beidseitig leitfähige, vorzugsweise gleichgroße über Durchkontaktierungen jeweils miteinander verbundene Kreisringsektoren. Sie dienen als Rotorelektroden 31 und 32, weil sie den effektiven Plattenabstand (Luftspalt) zwischen der Sendeelektrode 21 und den Empfangselektrodenpaaren 41 verkürzen. Die Gesamtkapazität der einzelnen Differentialkondensatoren bleibt dabei konstant. Die Drehbewegung verändert lediglich das Verhältnis der beiden Teilkapazitäten der Differentialkondensatoren. Hier sei angemerkt, dass die Darstellung mit vier Rotorwellen zum bessern Verständnis so gewählt wurde. Vorzugsweise ist eine gemeinsame Rotorwelle vorhanden.The rotor 3 preferably consists of a 1.5 mm thick FR4 plate. The material FR4 itself is not conductive, but has circular ring sectors that are conductive on both sides and are preferably of the same size and are connected to one another via vias. They serve as rotor electrodes 31 and 32 because it determines the effective plate distance (air gap) between the transmitter electrode 21st and the receiving electrode pairs 41 shorten. The total capacitance of the individual differential capacitors remains constant. The rotary movement only changes the ratio of the two partial capacitances of the differential capacitors. It should be noted here that the illustration with four rotor shafts was chosen for better understanding. A common rotor shaft is preferably present.

Wie man sieht, sind die Elektrodenpaare AB und CD auf dem Stator 4 um 90° zueinander versetzt angeordnet. Man erhält zwei um 90° versetzte Signale, die als Sinus und Cosinus des Drehwinkels bezeichnet werden, obwohl ihre Gestalt von der Elektrodenform abhängt. Anhand der Werte A-B und C-D kann man eindeutig bestimmen, wo sich die halbringförmige innere Rotorelektrode 31 auf dem die Rotor 3 befindet. Die Genauigkeit ist aber noch nicht ausreichend. Deshalb werden diese Elektrodenpaare nur zur Unterteilung in 8 Kreissektoren verwendet. Die äußeren Kreisringsektoren E, F, G, H auf dem Stator 4 dienen zur genaueren Positionsbestimmung (Lupe). Sie werden von den Rotorelektroden 32 auf die beschriebene Weise beeinflusst. Diese Anordnung ist innerhalb von 45° eindeutig. Diese zweistufige Winkelbestimmung anhand der Grob- und Lupensignale ist hinlänglich bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.As can be seen, the electrode pairs AB and CD are on the stator 4th arranged offset by 90 ° to each other. Two signals offset by 90 ° are obtained, which are referred to as the sine and cosine of the angle of rotation, although their shape depends on the shape of the electrode. Based on the values FROM and CD one can clearly determine where the semicircular inner rotor electrode is 31 on which the rotor 3 is located. However, the accuracy is not yet sufficient. Therefore, these electrode pairs are only used to divide into 8 circular sectors. The outer circular ring sectors E. , F. , G , H on the stator 4th serve for more precise position determination (magnifying glass). They are from the rotor electrodes 32 influenced in the manner described. This arrangement is clear within 45 °. This two-stage angle determination using the coarse and magnifying glass signals is well known and is not the subject of the invention.

Das an den Empfangselektroden 41 anliegende Stromsignal wird von den Schaltmischern 5 phasensynchron gleichgerichtet und durch den Tiefpass geglättet. Die antiparallel geschalteten Multiplexerausgänge sorgen für die Differenzbildung. Anschließend wird das Stromsignal in den integrierenden Strom-Spannungswandlern 6 verstärkt und in eine Spannung umgewandelt.That on the receiving electrodes 41 pending current signal is from the mixer switches 5 phase-synchronously rectified and smoothed by the low-pass filter. The multiplexer outputs connected in anti-parallel ensure that the difference is formed. The current signal is then sent to the integrating current-voltage converter 6 amplified and converted into tension.

Die Auswertung kann vollständig in einer digitalen Auswerteeinheit 7, vorzugsweise in einem Mikrocontroller (µC) erfolgen. Eine Vor- oder Zwischenverarbeitung in einer oder mehreren analogen Auswerteeinheiten 8 kann aber von Vorteil sein. Wie gezeigt, kann neben der aktuellen Winkelposition des Rotors 3 bei jeder Umdrehung zusätzlich ein Null-Impuls erzeugt werden. Das geschieht durch die NAND Verknüpfung der Signale D1 bis D7. Diese Verknüpfung kann im Mikrocontroller7, aber auch vorteilhaft in einem NAND-Gatter mit 8 Eingängen vom Typs 74HC30 geschehen. So wird der Mikrocontroller entlastet und die Anordnung ist als Drehzahlmesser für hohe Drehzahlen geeignet.
Darüber hinaus können wie in der 4 gezeigt, die zur Auswertung der Sensorsignale erforderlichen Additionen, Subtraktionen und Vergleichsoperationen, insbesondere die zur Ermittlung eines Referenzsignals aus den Lupensignalen notwendigen Rechenoperationen effizient mit Operationsverstärkern bzw. Komparatoren ausgeführt werden.
The evaluation can be done completely in a digital evaluation unit 7th , preferably in a microcontroller (µC). A preprocessing or intermediate processing in one or more analog Evaluation units 8th but can be an advantage. As shown, besides the current angular position of the rotor 3 A zero pulse can also be generated for each revolution. This is done by NAND linking signals D1 to D7. This link can take place in the microcontroller7, but also advantageously in a NAND gate with 8 inputs of the 74HC30 type. This relieves the load on the microcontroller and the arrangement is suitable as a tachometer for high speeds.
In addition, as in the 4th shown that the additions, subtractions and comparison operations required to evaluate the sensor signals, in particular the arithmetic operations required to determine a reference signal from the magnifying glass signals, are efficiently carried out with operational amplifiers or comparators.

Die elektronische Schaltung kann weitgehend temperaturkompensiert ausgeführt werden. So bleiben noch die von der Mechanik, wie Taumeln des Rotors 3, und von den Medien, wie Wasserdampf und Kondenswasser (Betauung) hervorgerufenen Amplitudenschwankungen zu berücksichtigen.
Eine direkte Amplitudenregelung ist wegen der Festlegung des Sendesignals auf TTL-Pegel nicht möglich bzw. nicht ausreichend.
The electronic circuit can be made largely temperature-compensated. That leaves those of the mechanics, like tumbling of the rotor 3 , and to consider amplitude fluctuations caused by the media, such as water vapor and condensation (condensation).
A direct amplitude control is not possible or not sufficient because the transmission signal is fixed at TTL level.

Da die Differentialkondensatoren frequenzabhängige Widerstände darstellen, kann die Amplitude des Empfangssignals vorteilhaft über die Frequenz des als spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) ausgeführten Hochfrequenzgenerators 1 geregelt werden.Since the differential capacitors represent frequency-dependent resistances, the amplitude of the received signal can advantageously be based on the frequency of the high-frequency generator designed as a voltage-controlled oscillator (VCO) 1 be managed.

Um die bekannte Referenzelektrode nebst Referenzempfänger einzusparen, und damit Sensorfläche zu gewinnen, wird erfindungsgemäß aus den Signalen der äußeren Kreisringsektoren E bis H (Lupe) ein Referenzsignal erzeugt und vom Mikrocontroller 7 als pulsweitenmoduliertes Signal (PWM-Signal) ausgegeben. Näheres dazu in den 4 und 5. Damit dieses Signal als Ist-Regelgröße verwendet werden kann, wird es zunächst integriert, dann in einem im Stellglied 9 mit einem Sollwert verglichen und über einen PID-Regler als Steuerspannung für den Hochfrequenzgenerator 1 (VCO) verwendet.
Eine zu hohe Regelgröße (Amplitude) wird durch Absenkung der Arbeitsfrequenz und eine zu niedrige Regelgröße durch Erhöhung der Arbeitsfrequenz ausgeregelt.
Die mit PN x bezeichneten Modulationseingänge am VCO können zur Frequenzspreizung verwendet werden. So wird die aktive und die passive Störfestigkeit des Gerätes verbessert.
In order to save the known reference electrode and reference receiver and thus gain sensor area, according to the invention, the signals from the outer circular ring sectors are used E. to H (Magnifying glass) a reference signal is generated and used by the microcontroller 7th output as a pulse-width modulated signal (PWM signal). More on this in the 4th and 5 . So that this signal can be used as an actual controlled variable, it is first integrated, then in one in the actuator 9 compared with a setpoint and via a PID controller as a control voltage for the high-frequency generator 1 (VCO) used.
Too high a controlled variable (amplitude) is corrected by lowering the working frequency and too low a controlled variable by increasing the working frequency.
With PN x marked modulation inputs on the VCO can be used for frequency spreading. This improves the device's active and passive immunity to interference.

Da die Schaltmischer 5 unmittelbar mit den Empfangselektrodenpaaren 41 verbunden sind, erfolgen Gleichrichtung bzw. Mischung mit dem Sendsignal und die Differenzbildung gleichzeitig in einem Schritt. Die integrierenden Spannungswandler 6 müssen nicht mehr die Arbeitsfrequenz des VCO, sondern nur noch die aus der Drehbewegung resultierenden Impulse verarbeiten. So kann die Arbeitsfrequenz gegenüber den bekannten technischen Lösungen erhöht werden, ohne die Anforderungen an das Verstärkungs-Bandbreiteprodukt der Operationsverstärker zu verschärfen.
Arbeitsfrequenzen von 10 MHz erlauben Messkapazitäten im Bereich von Picofarad, ohne dass hochfrequenztaugliche Strom-Spannungswandler 6 erforderlich sind.
Das spart Kosten und erlaubt kleinere Bauformen und/oder eine höhere Messgenauigkeit.
Because the mixer tap 5 directly with the pairs of receiving electrodes 41 are connected, rectification or mixing with the transmit signal and the difference formation take place simultaneously in one step. The integrating voltage converters 6 no longer have to process the working frequency of the VCO, but only the pulses resulting from the rotary movement. In this way, the working frequency can be increased compared to the known technical solutions without tightening the requirements for the gain bandwidth product of the operational amplifier.
Working frequencies of 10 MHz allow measuring capacities in the picofarad range without the need for high-frequency current-voltage converters 6 required are.
This saves costs and allows smaller designs and / or higher measurement accuracy.

Durch die Erzeugung eines Referenzsignals aus den Messsignalen und dem dadurch möglichen Verzicht auf die bekannte Referenzelektrode wird zusätzlich Rotorfläche frei.
So kann der Rotor weiter verkleinert werden. Dadurch ergeben sich konstruktive Vorteile, beispielsweise die Möglichkeit der Vergrößerung der Hohlwelle. Auf den Referenzempfänger kann vollständig verzichtet werden. Das spart nochmals Kosten und Leiterplattenfläche.
Die aus den Nutzsignalen gewonnene Referenz kann natürlich auch zur rechnerischen Korrektur der Messwerte im Mikrocontroller 7 verwendet werden.
By generating a reference signal from the measurement signals and thereby dispensing with the known reference electrode, the rotor surface is also free.
In this way the rotor can be made smaller. This results in structural advantages, for example the possibility of enlarging the hollow shaft. The reference recipient can be completely dispensed with. This again saves costs and PCB space.
The reference obtained from the useful signals can of course also be used for computational correction of the measured values in the microcontroller 7th be used.

Die 3 zeigt eine Schaltung zur Gewinnung der Differenzsignale A-B und C-D aus den vier inneren Elektroden zur groben Positionsbestimmung. Die Auswertung der äußeren Elektroden E bis H (Sensorlupe) kann auf die gleiche Weise erfolgen. Diese Signale werden wie bereits erwähnt, in der Literatur als Sinus- bzw. Cosinussignal bezeichnet, obwohl ihre Form von der Geometrie der Elektroden abhängt. Hier handelt es sich um Dreieckssignale. Der Hochfrequenzgenerator 1 (VCO) speist die Sendeelektrode des Differentialkondensators 10 mit geringfügig gegenüber dem Taktsignal T verzögerten Sendeimpulsen S.
Die beiden Empfangselektroden A und B sind jeweils einem Analogmultiplexer verbunden. Der hier gezeigte ADG749 von Analog Devices kann bei einer Einschaltzeit typisch 20 ns und einer Abschaltzeit von nur 6 ns Signale bis etwa 10 MHz problemlos verarbeiteten. Für noch höhere Arbeitsfrequenzen werden Dioden-Ringmischer erforderlich.
Die Analogmultiplexer ADG749 arbeiten als Schaltmischer 5. Sie sind so beschaltet, dass die Elektroden A und B abwechselnd mit der halben Betriebsspannung oder mit dem invertierenden Eingang desselben Strom-Spannungswandlers 6 verbunden sind. Während die Elektrode A mit der halben Betriebsspannung beaufschlagt wird, ist die Elektrode B mit einem 10 nF Kondensator verbunden und umgekehrt. So werden die Verschiebungsströme der Elektroden in den beiden 10 nF-Glättungskondensatoren gesammelt.
Die halbe Betriebsspannung definiert das Nullpotential. Durch die phasenrichtige Steuerung der Analogmultiplexer durch den Takt T wird den Strom-Spannungswandlern 6 ein Gleichstromsignal zugeführt, das über einen Gegenkopplungswiderstand von 100 kΩ in die Ausgangsspannung U(A-B) umgewandelt wird. Der Strom-Spannungswandler 6 ist so beschaltet, dass er Tiefpasseigenschaften aufweist. Deshalb kann man ihn auch als integrierenden Strom-Spannungswandler bezeichnen. So wird das Signal der Schaltmischer 6 zusätzlich geglättet. Die Gegenkopplungskapazität von 1 nF dient zur Stabilisierung.
The 3 shows a circuit for obtaining the difference signals FROM and CD from the four inner electrodes for rough position determination. The evaluation of the external electrodes E. to H (Sensor magnifier) can be done in the same way. As already mentioned, these signals are referred to in the literature as sine or cosine signals, although their shape depends on the geometry of the electrodes. These are triangle signals. The high frequency generator 1 (VCO) feeds the transmission electrode of the differential capacitor 10 with slightly compared to the clock signal T delayed transmission pulses S. .
The two receiving electrodes A and B are each connected to an analog multiplexer. The ADG749 from Analog Devices shown here can process signals up to around 10 MHz with a typical turn-on time of 20 ns and a turn-off time of only 6 ns. Diode ring mixers are required for even higher working frequencies.
The ADG749 analog multiplexers work as switch mixers 5 . They are wired in such a way that electrodes A and B alternately with half the operating voltage or with the inverting input of the same current-voltage converter 6 are connected. While electrode A is subjected to half the operating voltage, electrode B is connected to a 10 nF capacitor and vice versa. So the displacement currents are the Electrodes collected in the two 10 nF smoothing capacitors.
Half the operating voltage defines the zero potential. Due to the in-phase control of the analog multiplexer through the clock T becomes the current-voltage converters 6 A direct current signal is supplied, which is converted into the output voltage U (via a negative feedback resistor of 100 kΩ FROM ) is converted. The current-voltage converter 6 is wired in such a way that it has low-pass properties. That is why it can also be called an integrating current-voltage converter. So the signal becomes the switching mixer 6 additionally smoothed. The negative feedback capacitance of 1 nF is used for stabilization.

An dieser Stelle wird der Erfindungsgedanke, die phasensynchrone Gleichrichtung ohne temperaturabhängige Diodengleichrichter und die Differenzbildung unmittelbar an den Empfangselektroden ohne toleranzbehaftete Widerstände vorzunehmen, deutlich.
Die Glättungskondensatoren werden ständig gegen virtuelles Massepotential entladen.
At this point, the inventive idea of performing the phase-synchronous rectification without temperature-dependent diode rectifiers and the difference formation directly on the receiving electrodes without resistors subject to tolerances becomes clear.
The smoothing capacitors are constantly discharged against virtual ground potential.

Die 4 zeigt weitere Schaltungsdetails. Auf der linken Seite wird das Referenzsignal gewonnen. Dazu werden die Beträge der symmetrisch zur halben Betriebsspannung (Ub/2) verlaufenden Signale E-F und G-H der Sensorlupe („Cosinus“ und „Sinus“) erzeugt und zur halben Betriebsspannung addiert. Das geschieht mit Hilfe eines optionalen Inverters in folgender Weise:

  • Ein erster Komparator vergleicht das Signal E-F mit der halben Betriebsspannung. Liegt es darüber, schaltet der Ausgang des ersten Analogmultiplexer ADG749 auf halber Betriebsspannung und der angeschlossene erste Operationsverstärker wird zum Inverter (invertierender Verstärker). Es entsteht ein negatives Ausgangssignal, das nach einer weiteren Invertierung einen positiven Beitrag zum Referenzsignal liefert.
  • Liegt das Signal E-F unterhalb der halben Betriebsspannung, schaltet der Ausgang des ersten Komparators auf Betriebsspannung und der Analogmultiplexer ADC749 schaltet um. Nun ist der positive Eingang des Operationsverstärkers frei und er wird zum Folger (nichtinvertierenden Verstärker). Die Beschaltung wurde hier so gewählt, dass der Verstärkungsfaktor in beiden Fällen 1 beträgt. Das ist allerdings nicht erfindungswesentlich. So liefert auch die andere Halbwelle einen positiven Beitrag zum Referenzsignal. Auf diese Weise wird das durch die Differenzbildung E-F entstandene Dreieckssignal „hochgeklappt“, so dass ein mit der halben Betriebsspannung vorgespanntes Dreieckssignal der doppelten Frequenz entsteht. Die verbleibenden Lücken werden durch das um 90° phasenverschobene auf die gleiche Weise verarbeitete „Sinussinussignal“ G-H ausgefüllt, so dass eine von der Drehbewegung unabhängige, die Empfangsamplitude repräsentierende Gleichspannung entsteht, die erfindungsgemäß vorteilhaft als Referenzsignal verwendet werden kann. Weiterhin wird die zur groben Positionsbestimmung mit 8 Sektoren erforderliche logische Verknüpfung der beiden Differenzsignale A-B und C-D, der Grobsignale A-B und C-D gezeigt, die natürlich auch im Mikrocontroller 7 erfolgen kann. So wird er aber entlastet.
The 4th shows further circuit details. The reference signal is obtained on the left. For this purpose, the amounts of the signals running symmetrically to half the operating voltage (Ub / 2) are used EF and GH generated by the sensor magnifier ("cosine" and "sine") and added to half the operating voltage. This is done with the help of an optional inverter in the following way:
  • A first comparator compares the signal EF with half the operating voltage. If it is higher, the output of the first analog multiplexer ADG749 switches to half the operating voltage and the connected first operational amplifier becomes an inverter (inverting amplifier). A negative output signal is created which, after a further inversion, makes a positive contribution to the reference signal.
  • Is the signal EF below half the operating voltage, the output of the first comparator switches to operating voltage and the ADC749 analog multiplexer switches over. Now the positive input of the operational amplifier is free and it becomes the follower (non-inverting amplifier). The wiring was chosen so that the gain factor in both cases 1 amounts. However, this is not essential to the invention. The other half-wave thus also makes a positive contribution to the reference signal. This is how it is done by subtracting EF The resulting triangular signal is "folded up", so that a triangular signal of double the frequency is created with half the operating voltage. The remaining gaps are processed in the same way by the "sinusoidal signal", which is phase-shifted by 90 ° GH filled in, so that a direct voltage which is independent of the rotary movement and represents the reception amplitude is produced, which can advantageously be used as a reference signal according to the invention. Furthermore, the logical combination of the two difference signals required for rough position determination with 8 sectors FROM and CD , the coarse signals FROM and CD shown, of course, in the microcontroller 7th can be done. But that way he is relieved.

Die zeitliche Auflösung der gezeigten Anordnung reicht für mittlere Drehzahlen aus. Eine logische Verknüpfung der digitalen Signale D1 bis D7 von allen 7 Komparatoren in einem NAND-Gatter liefert einen schmalen Null-Impuls pro Umdrehung. Auch das kann durch Software geschehen.
Bei sehr hohen Drehzahlen ist keine genaue Winkel-Bestimmung mehr notwendig, sondern ein Null-Impuls pro Umdrehung ausreichend. Durch den Einsatz des NAND-Gatters können die Anforderungen an die Arbeitsgeschwindigkeit des Mikrocontrollers verringert werden.
The temporal resolution of the arrangement shown is sufficient for medium speeds. A logical combination of the digital signals D1 to D7 from all 7 comparators in a NAND gate delivers a narrow zero pulse per revolution. This can also be done through software.
At very high speeds, an exact angle determination is no longer necessary, but one zero pulse per revolution is sufficient. By using the NAND gate, the demands on the operating speed of the microcontroller can be reduced.

Die 5 verdeutlicht die Erzeugung des Referenzsignals. Die beiden um 90° versetzten mit „sin“ und „cos“ bezeichneten Differenzsignale G-H und E-F (Lupensignale) werden von den in der 4 dargestellten optionalen Invertern an der Mittelachse (2,5 V) gespiegelt, d. h. „hochgeklappt“ und anschließend aufsummiert. Wie man sieht, füllen die in beiden Kanälen und damit doppelt vorhandenen mit „a+b“ bezeichneten Flächen die Lücken zwischen den Flächen „a“ und „b“ aus, so dass eine von der aktuellen Rotorstellung unabhängige Gleichspannung, die Referenzspannung Uref entsteht. Weiterhin erkennt man, dass eine dreieckige Signalform hier besonders günstig ist. So ergibt sich für Winkel w zwischen 0° und 90° die einfache Beziehung: w = 90°* („sin‟(w) -Ub /2) / (Uref-Ub/2).
Andere Signalformen, insbesondere Sinussignale, sollen aber nicht ausgeschlossen werden.
The 5 illustrates the generation of the reference signal. The two differential signals labeled “sin” and “cos” offset by 90 ° GH and EF (Magnifying glass signals) are used by the 4th The optional inverters shown are mirrored on the central axis (2.5 V), ie "folded up" and then added up. As you can see, the areas marked “a + b” in both channels and thus duplicated fill the gaps between the areas “a” and “b” so that a direct voltage, the reference voltage Uref, is independent of the current rotor position. It can also be seen that a triangular signal shape is particularly favorable here. So it results for angle w between 0 ° and 90 ° the simple relationship: w = 90 ° * ("sin" (w) -Ub / 2) / (Uref-Ub / 2).
However, other signal forms, especially sinusoidal signals, should not be excluded.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor zur Lage- und/oder Bewegungserkennung, insbesondere einen Drehgeber mit einem Differentialkondensator 10. Er weist zwei durch ein Messelement 3 gegensinnig beeinflussbare Teilkapazitäten auf. Diese bestehen aus einer von einem Hochfrequenzgenerator 1 gespeisten gemeinsamen Sendeelektrode 21 und mindestens zwei Empfangselektroden 41. Die Empfangselektroden 41 sind jeweils direkt mit einem Schaltmischer 5 verbunden. Dem Schaltmischer 5 ist ein integrierender Strom-Spannungswandler 6 nachgeschaltet. Er dient auch als Tiefpass zur Glättung des am Schaltmischer 5 entstehenden Differenzsignals. Der Strom-Spannungswandler 6 wandelt den Verschiebungsstrom der Empfangselektrode 41 in ein Spannungssignal um. Das vom integrierenden Strom-Spannungswandler 6 ausgegebene Signal repräsentiert die Differenz der Teilkapazitäten des Differentialkondensators 10 und ist somit ist ein Maß für die Stellung des Messelements 3.The present invention relates to a capacitive sensor for position and / or movement detection, in particular a rotary encoder with a differential capacitor 10 . He points two through a measuring element 3 partial capacities that can be influenced in opposite directions. These consist of a high frequency generator 1 fed common transmitter electrode 21st and at least two receiving electrodes 41 . The receiving electrodes 41 are each directly connected to a switching mixer 5 connected. The mixer tap 5 is an integrating current-voltage converter 6 downstream. It also serves as a low-pass filter to smooth the switching mixer 5 resulting difference signal. The current-voltage converter 6 converts the displacement current of the receiving electrode 41 in a Voltage signal around. That from the integrating current-voltage converter 6 The output signal represents the difference in the partial capacitance of the differential capacitor 10 and is therefore a measure of the position of the measuring element 3 .

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen kapazitiven Drehgeber mit einem Hochfrequenzgenerator 1 zur Erzeugung eines Sendesignals S, dessen Frequenz und Amplitude wesentlich für das Messergebnis sind. Das Sendesignal S wird einem Differentialkondensator zugeführt, auf dessen ersten Stator 2 sich die Sendeelektrode 21 befindet. Auf einem zweiten Stator 4 sind Empfangselektrodenpaare 41 derart angeordnet, dass eine Rotorelektrode 31 auf einem Rotor 3, der als Winkelgeber dient, die Verteilung der Verschiebungsströme der Empfangselektrodenpaare 41 abhängig von der Winkelstellung des Rotors 3 gegensinnig beeinflusst.
Die Empfangselektrodenpaare 41 sind mit einem synchron zum Sendesignal S wirkenden Schaltmischer 5 verbunden. Ein integrierender Strom-Spannungswandler 6 wandelt den empfangenen Strom in eine Spannung um. Diese wird einer digitalen Auswerteeinheit 7 und in vorteilhafter Weise auch analogen Auswerteeinheiten 8 zugeführt. Ein Stellglied 9 dient zur Beeinflussung der Amplitude oder der Frequenz des Hochfrequenzgenerators 1 in einem Regelkreis zur Regelung der Empfangsamplitude.
Die Empfangselektrodenpaare 41 werden über die Schaltmischer 5 alternierend mit den integrierenden Strom-Spannungswandlern 6 verbunden. Hier erfolgt mit der Gleichrichtung auch eine Subtraktion der beiden von dem betreffenden Elektrodenpaar 41 empfangenen Verschiebungsströme. Die Ausgänge der integrierenden Strom-Spannungswandler 6 sind mit der digitalen Auswerteeinheit 7 und/oder mit analogen Auswerteeinheiten 8 verknüpft. Die analogen Auswerteeinheiten 8 ermöglichen die schnelle Ausführung von einfachen Rechenoperationen zur Auswertung der Sensorsignale. Die Auswertung umfasst zunächst eine grobe Positionsbestimmung anhand der Signale der Elektroden A bis D, die bereits eine eindeutige Winkelstellung liefert. Die Elektroden E bis H dienen zur Feinauswertung (Lupe) zur genaueren Positionsbestimmung.
A preferred embodiment of the invention relates to a capacitive rotary encoder with a high-frequency generator 1 for generating a transmission signal S. whose frequency and amplitude are essential for the measurement result. The broadcast signal S. is fed to a differential capacitor on its first stator 2 the transmitter electrode 21st is located. On a second stator 4th are pairs of receiving electrodes 41 arranged such that a rotor electrode 31 on a rotor 3 , which serves as an angle sensor, the distribution of the displacement currents of the receiving electrode pairs 41 depending on the angular position of the rotor 3 influenced in opposite directions.
The receiving electrode pairs 41 are in sync with the broadcast signal S. acting switch mixer 5 connected. An integrating current-voltage converter 6 converts the received current into a voltage. This becomes a digital evaluation unit 7th and advantageously also analog evaluation units 8th fed. An actuator 9 serves to influence the amplitude or the frequency of the high frequency generator 1 in a control loop for controlling the reception amplitude.
The receiving electrode pairs 41 are via the switching mixer 5 alternating with the integrating current-voltage converters 6 connected. Here, with the rectification, there is also a subtraction of the two from the relevant electrode pair 41 received displacement streams. The outputs of the integrating current-voltage converters 6 are with the digital evaluation unit 7th and / or with analog evaluation units 8th connected. The analog evaluation units 8th enable simple arithmetic operations to be carried out quickly to evaluate the sensor signals. The evaluation initially includes a rough position determination based on the signals from electrodes A to D, which already provides a clear angular position. The electrodes E. to H serve for fine evaluation (magnifying glass) for more precise position determination.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen kapazitiver Drehgebers werden die von der Winkelstellung des Rotors 3 beeinflussten dielektrischen Verschiebungsströme in den Empfangselektrodenpaaren 41 statt einer Referenzelektrode als Hauptbestandteil der Stellgröße für das Stellglied 9 zur Regelung der Empfangsamplitude genutzt.
In einer speziellen Ausgestaltung erfolgt die Regelung der Empfangsamplitude durch Änderung der Frequenz des Sendesignals S. Das ist möglich, weil die Messkapazitäten frequenzabhängige Widerstände aufweisen. Der wesentliche Vorteil besteht darin, dass die Sendeamplitude konstant gehalten werden kann. Die Sendeelektrode wird vorteilhaft mit einem Logikpegel, beispielsweise einem zur Transistor-Transistor-Logik (TTL) kompatiblen Signal angesteuert. So können die Schaltmischer 5 (gesteuerte Gleichrichter) parallel zur Sendeelektrode 21 mit dem Sendesignal S angesteuert werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft die Sendesignale um eine definierte Zeitspanne gegenüber dem Umschaltsignal für den Schaltmischer 5 zu verzögern. Dazu können die Schaltzeiten von zwei in der Sendeleitung hintereinander geschalteten Logikgattern genutzt werden (2).
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann bei jeder Umdrehung ein Nullsignal generiert werden. Das kann durch die NAND Verknüpfung der Signale D1 bis D7 im Mikrocontroller 7 geschehen. Vorteilhaft wird ein NAND-Gatter des Typs 74HC30 mit 8 Eingängen eingesetzt, dessen Ausgang bei jeder vollen Umdrehung ein Signal abgibt.
In an advantageous embodiment of the capacitive rotary encoder according to the invention, the angular position of the rotor 3 influenced dielectric displacement currents in the receiving electrode pairs 41 instead of a reference electrode as the main component of the manipulated variable for the actuator 9 used to control the reception amplitude.
In a special embodiment, the reception amplitude is regulated by changing the frequency of the transmission signal S. . This is possible because the measuring capacitances have frequency-dependent resistances. The main advantage is that the transmission amplitude can be kept constant. The transmitting electrode is advantageously controlled with a logic level, for example a signal compatible with the transistor-transistor logic (TTL). So can the mixer tap 5 (controlled rectifier) parallel to the transmitter electrode 21st with the broadcast signal S. be controlled.
Furthermore, it is advantageous to reduce the transmission signals by a defined period of time compared to the switchover signal for the switching mixer 5 to delay. The switching times of two logic gates connected one behind the other in the transmission line can be used for this purpose ( 2 ).
In a further embodiment of the invention, a zero signal can be generated for each revolution. This can be done by NAND linking signals D1 to D7 in the microcontroller 7th happen. It is advantageous to use a 74HC30 type NAND gate with 8 inputs, the output of which emits a signal with every full revolution.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Betrieb der beschriebenen Anordnung. Ein kapazitiver Sensor, der einen ein Differentialkondensator mit einer Sendeelektrode 21 und mindestens einem Empfangselektrodenpaar 41 aufweist, wird mit Wechselspannung im Bereich von 1 bis 100 MHz beaufschlagt.
Die Kapazitäten des Differentialkondensators werden vom Messelement 3 gegensinnig beeinflusst. Vorzugsweise verkürzt das Messelement 3 den effektiven Plattenabstand.
Zur Messung der dielektrischen Verschiebungsströme sind die Empfangselektrodenpaare 41 mit einem Schaltmischer 5 verbunden. Vorteilhaft wird hier ein phasensynchron zum Sendesignal arbeitender Schaltmischer eingesetzt. Dessen Ausgangstrom wird geglättet und niederohmig gemessen. Dazu wird er einem auf virtuellem Massepotential befindlichen Strom-Spannungswandler 6 zugeführt. Weil der Eingang des integrierenden Strom-Spannungswandlers 6 wechselstrommäßig auf Masse liegt, werden auch die Empfangselektroden virtuell mit Masse verbunden. So erfolgt eine echte Strommessung. Weil die Eingangsspannung wegen der virtuellen Erdung Null wird, kann kein kapazitives Übersprechen stattfinden.
Da der Schaltmischer 5 direkt mit den Empfangselektrodenpaaren 41 verbunden ist, erfolgt die Gleichrichtung / Mischung mit dem Sendesignal und die Differenzbildung in einem gemeinsamen Schritt. Dem integrierenden Spannungswandler 6 werden niederfrequente Stromimpulse zugeführt. Damit muss er nicht hochfrequenztauglich sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Amplitude des Empfangssignals durch Veränderung der Sendefrequenz geregelt. Der Vorteil besteht darin, dass die Sendeamplitude konstant auf TTL-Pegel bleiben kann.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Referenzsignal zur Amplitudenregelung durch Summation der Empfangssignale bzw. der invertierten Empfangssignale gewonnnen. Insbesondere werden dazu die um 90° zueinander versetzten Sinus- und Cosinussignale der flächenmäßig größeren Empfangselektroden E bis H der Lupe ausgewertet. Das mit einer analogen Auswerteeinheit 8 und/oder im Mikrocontroller 7 erzeugte Referenzsignal kann zur Amplitudenregelung oder zur Bewertung des Empfangsignals verwendet, oder an eine übergeordnete Steuereinheit übergeben werden.
The method according to the invention includes the operation of the described arrangement. A capacitive sensor that has a differential capacitor with a transmitting electrode 21st and at least one pair of receiving electrodes 41 has, is applied with alternating voltage in the range from 1 to 100 MHz.
The capacitance of the differential capacitor is taken from the measuring element 3 influenced in opposite directions. The measuring element is preferably shortened 3 the effective plate spacing.
The receiving electrode pairs are used to measure the dielectric displacement currents 41 with a switching mixer 5 connected. A switching mixer operating in phase synchronism with the transmission signal is advantageously used here. Its output current is smoothed and measured with low resistance. To do this, it becomes a current-voltage converter at virtual ground potential 6 fed. Because the input of the integrating current-voltage converter 6 is connected to ground in terms of alternating current, the receiving electrodes are also virtually connected to ground. This is how a real current measurement takes place. Because the input voltage is zero because of the virtual grounding, no capacitive crosstalk can take place.
Because the mixer tap 5 directly with the receiving electrode pairs 41 is connected, the rectification / mixing with the transmission signal and the difference formation takes place in a common step. The integrating voltage converter 6 low-frequency current pulses are supplied. It does not have to be suitable for high frequencies.
In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the amplitude of the received signal is regulated by changing the transmission frequency. The advantage is that the transmit amplitude can remain constant at the TTL level.
In a further embodiment of the method according to the invention, a reference signal for amplitude control is obtained by summing the received signals or the inverted received signals. In particular, the sine and cosine signals of the receiving electrodes which are larger in area are used for this purpose, offset from one another by 90 ° E. to H evaluated with the magnifying glass. That with an analog evaluation unit 8th and / or in the microcontroller 7th The reference signal generated can be used for amplitude regulation or for evaluating the received signal, or can be transferred to a higher-level control unit.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Hochfrequenzgenerator, spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)High frequency generator, voltage controlled oscillator (VCO)
22
Erster StatorFirst stator
33
Rotor (Fahne), MesselementRotor (flag), measuring element
44th
Zweiter StatorSecond stator
55
Schaltmischer (gesteuerter Gleichrichter)Switching mixer (controlled rectifier)
66th
Integrierender Strom-SpannungswandlerIntegrating current-voltage converter
6a6a
IntegratorIntegrator
6b6b
Strom-SpannungswandlerCurrent-voltage converter
77th
Digitale Auswerteeinheit (Mikrocontroller)Digital evaluation unit (microcontroller)
88th
Analoge Auswerteeinheit (Komparator, Differenzverstärker)Analog evaluation unit (comparator, differential amplifier)
99
StellgliedActuator
1010
DifferentialkondensatorDifferential capacitor
2121st
SendeelektrodeTransmitting electrode
3131
Innere Rotorelektrode (grob)Inner rotor electrode (coarse)
3232
Äußere Rotorelektrode (fein)Outer rotor electrode (fine)
4141
EmpfangselektrodenpaarPair of receiving electrodes
A bis HA to H
EmpfangselektrodenReceiving electrodes
PN xPN x
Modulationseingang bzw. AusgangModulation input or output
RR.
RegelsignalControl signal
SS.
SendesignalTransmission signal
TT
TaktsignalClock signal
TPTP
TiefpassLow pass
ww
Winkelangle

Claims (8)

Kapazitiver Drehgeber mit einem Hochfrequenzgenerator (1) zur Erzeugung eines Sendesignals (S), einem ersten Stator (2) mit einer Sendeelektrode (21), einem Rotor (3) als Winkelgeber mit einer Rotorelektrode (31, 32) einem zweiten Stator (4) mit Empfangselektrodenpaaren (41), wobei die Verteilung der empfangenen Verschiebungsströme von der Winkelstellung des Rotors (3) beeinflussbar ist, mit vom Sendesignal (S) gesteuerten Schaltmischern (5), integrierenden Strom-Spannungswandlern (6), einer digitalen Auswerteeinheit (7) und/oder analogen Auswerteeinheiten (8) und einem Stellglied (9) zur Beeinflussung der Amplitude und/oder der Frequenz des Hochfrequenzgenerators (1), dadurch gekennzeichnet, dass Empfangselektrodenpaare (41) über Schaltmischer (5) alternierend mit integrierenden Strom-Spannungswandlern (6) verbunden werden und deren Ausgänge mit der digitalen Auswerteeinheit (7) und/oder mit analogen Auswerteeinheiten (8) verknüpft sind.Capacitive rotary encoder with a high-frequency generator (1) for generating a transmission signal (S), a first stator (2) with a transmission electrode (21), a rotor (3) as an angle encoder with a rotor electrode (31, 32), a second stator (4) with pairs of receiving electrodes (41), the distribution of the received displacement currents being influenced by the angular position of the rotor (3), with switching mixers (5) controlled by the transmission signal (S), integrating current-voltage converters (6), a digital evaluation unit (7) and / or analog evaluation units (8) and an actuator (9) for influencing the amplitude and / or the frequency of the high-frequency generator (1), characterized in that pairs of receiving electrodes (41) alternate with integrating current-voltage converters (6) via switching mixers (5) are connected and whose outputs are linked to the digital evaluation unit (7) and / or to analog evaluation units (8). Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Winkelstellung des Rotors (3) beeinflussten dielektrischen Verschiebungsströme in den Empfangselektrodenpaaren (41) Bestandteil der Stellgröße des Stellgliedes (9) sind.Capacitive encoder after Claim 1 , characterized in that the dielectric displacement currents in the receiving electrode pairs (41) influenced by the angular position of the rotor (3) are part of the manipulated variable of the actuator (9). Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Empfangsamplitude durch Änderung der Frequenz des Sendesignals (S) erfolgt.Capacitive encoder after Claim 2 , characterized in that the reception amplitude is regulated by changing the frequency of the transmission signal (S). Kapazitiver Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal (S) um eine definierte Zeitspanne gegenüber dem Umschaltsignal für den Schaltmischer (5) verzögert ist.Capacitive encoder after Claim 1 or 2 , characterized in that the transmission signal (S) is delayed by a defined period of time compared to the switching signal for the switching mixer (5). Kapazitiver Drehgeber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach jeder Umdrehung ein Nullsignal erzeugt wird.Capacitive rotary encoder according to one of the preceding claims, characterized in that a zero signal is generated after each revolution. Verfahren zum Betreiben eines kapazitiven Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: - Beaufschlagen eines eine Sendeelektrode (21) und ein Empfangselektrodenpaar (41) aufweisenden als kapazitiven Messwertaufnehmer wirkenden Differentialkondensators (10) mit Wechselspannung von 1 bis 100 MHz. - Gleichrichtung der in den Empfangselektrodenpaaren (41) entstehenden dielektrischen Verschiebungsströme mit einem unmittelbar mit den Empfangselektroden (41) verbundenen Schaltmischer (6) bei gleichzeitiger Bildung eines Differenzsignals.- Glättung des Ausgangstroms. - Strommessung mit einem Strom-Spannungswandler (6), dessen Eingang virtuell auf Massepotential liegt. - Verstärkung und Auswertung des vom Strom-Spannungswandler (6) erzeugten Signals, wobei die Amplitude des Empfangssignals durch Veränderung der Frequenz des Sendesignals (S) geregelt wird, wobei die Sendeamplitude konstant bleiben und der Sender mit konstanter Amplitude mit digitalen Logiksignalen arbeiten kann.Method for operating a capacitive sensor according to one of the preceding claims, characterized by the following method steps: charging of a differential capacitor (10) which has a transmitting electrode (21) and a pair of receiving electrodes (41) and which acts as a capacitive transducer with alternating voltage of 1 to 100 MHz. - Rectification of the dielectric displacement currents arising in the receiving electrode pairs (41) with a switching mixer (6) connected directly to the receiving electrodes (41) with simultaneous formation of a differential signal. Smoothing of the output current. - Current measurement with a current-voltage converter (6), the input of which is virtually at ground potential. - Amplification and evaluation of the signal generated by the current-voltage converter (6), the amplitude of the received signal being regulated by changing the frequency of the transmission signal (S), the transmission amplitude remaining constant and the transmitter being able to work with constant amplitude with digital logic signals. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Regelgröße für die Amplitudenregelung durch Summation aus Empfangssignalen gewonnen wird.Procedure according to Claim 6 , characterized in that the actual controlled variable for the amplitude control is obtained by summation from received signals. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzsignal durch Summation von Empfangssignalen und invertierten Empfangssignalen gewonnen wird.Procedure according to Claim 7 , characterized in that a reference signal is obtained by summing received signals and inverted received signals.
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