DE19954267A1 - Method for automatically adjusting the switching threshold of capacitive and inductive proximity sensors, requires constantly re-compensating the proximity sensor should the environmental conditions change or another object be detected - Google Patents

Method for automatically adjusting the switching threshold of capacitive and inductive proximity sensors, requires constantly re-compensating the proximity sensor should the environmental conditions change or another object be detected

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DE19954267A1
DE19954267A1 DE1999154267 DE19954267A DE19954267A1 DE 19954267 A1 DE19954267 A1 DE 19954267A1 DE 1999154267 DE1999154267 DE 1999154267 DE 19954267 A DE19954267 A DE 19954267A DE 19954267 A1 DE19954267 A1 DE 19954267A1
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Thomas Mohr
Hermann Uhlmann
Uwe Ehrenberg
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Technische Universitaet Ilmenau
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Technische Universitaet Ilmenau
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Abstract

Adjustment of the switching threshold of the proximity sensors can be individually adapted to the prevailing environmental conditions and properties of the object being detected by continually measuring and sampling (evaluating) the capacitances C12(t) and C23(t).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Einstellung der Schaltschwelle kapa­ zitiver sowie induktiver Näherungssensoren. Damit bei beliebigen Umgebungs- und Meßbe­ dingungen ein Näherungssensor die zu erfassenden Materialien, gekennzeichnet durch ver­ schiedenste Materialeigenschaften und geometrischen Abmessungen, eindeutig detektieren kann, besitzen viele Näherungssensoren ein Einstellmittel zum Abgleich auf die jeweiligen Einsatzbedingungen.The invention relates to a method for automatically setting the switching threshold kapa citative and inductive proximity sensors. So with any environment and measurement conditions a proximity sensor the materials to be detected, characterized by ver Different material properties and geometric dimensions, clearly detect can, many proximity sensors have an adjustment means for adjustment to the respective Operating conditions.

Dieses Einstellmittel ist in der einfachsten Form zumeist ein elektrisches Potentiometer. Mit dem Einstellmittel wird ein Referenzwert bzw. Schwellwert für die Auswerteelektronik eingestellt. Nähert sich ein Objekt, so wird dadurch die Aufnahme- Impedanz des Sensors verändert.In its simplest form, this setting means is usually an electrical potentiometer. The setting means becomes a reference value or threshold value for the evaluation electronics set. When an object approaches, the sensor's recording impedance is reduced changed.

Bei kapazitiven Sensoren wird die Aufnahme-Impedanz im wesentlichen aus einer verän­ derlichen Kapazität gebildet. Die Größe der Kapazität ist dem Abstand zwischen Sensor und Objekt proportional. Bei induktiven Sensoren besteht die Aufnahme-Impedanz im wesentlichen aus einer von Abstand Sensor-Objekt abhängigen Induktivität.With capacitive sensors, the recording impedance is essentially changed from one capacity. The size of the capacitance is the distance between the sensor and object proportional. With inductive sensors, the recording impedance is in essentially from an inductance dependent on the distance between the sensor and the object.

Die veränderliche Impedanz wird mittels einer elektronischen Schaltung ausgewertet und zu einem Ausgangssignal umgeformt. Es erfolgt dabei ein stetiger Vergleich mit dem ein­ gestellten Schwellwert. Im folgenden wird dieser einstellbare Schwellwert als Schaltschwelle bezeichnet.The variable impedance is evaluated by means of an electronic circuit and converted into an output signal. There is a constant comparison with the one set threshold. In the following, this adjustable threshold value is used as the switching threshold designated.

Mit der Einstellung der Schaltschwelle wird der Näherungsschalter an die jeweiligen Umge­ bungsbedingungen und Eigenschaften des zu detektierenden Objekts individuell angepaßt.With the setting of the switching threshold, the proximity switch is switched to the respective reverse Exercise conditions and properties of the object to be detected individually adapted.

Das Einstellen der Schaltschwelle erfolgte bisher durch Einbau des Näherungsschalters in die jeweilige Anwendung und eine anschließende individuelle Justierung. Dazu wird das zu detektierende Objekt in den Ansprechbereich des Sensors gebracht. Nun ist die Aus­ werteschaltung des Sensors so zu justieren, daß bei dem jetzt eingestellten Abstand ein Signal ausgelöst wird. Dieser Abgleich kann zum Beispiel manuell mittels eines mechanisch verstellbaren Potentiometers und einer Leuchtdiode als optisches Anzeigenmittel erfolgen. Diese individuelle Einstellung unter Betriebsbedingungen ist zwar relativ exakt durchführ­ bar, hängt jedoch vom jeweiligen Bedienpersonal ab und kann vom Hersteller ab Werk nicht vorgenommen werden. Somit ist zusätzlicher personeller und finanzieller Aufwand am Einsatzort erforderlich.The switching threshold was previously set by installing the proximity switch in the respective application and a subsequent individual adjustment. This will be Object to be detected brought into the response range of the sensor. Now the end is Adjust the value circuit of the sensor so that at the set distance Signal is triggered. This adjustment can be done manually, for example, using a mechanical adjustable potentiometer and a light-emitting diode as optical display means. This individual setting under operating conditions can be carried out relatively precisely cash, but depends on the respective operating personnel and can be ex works by the manufacturer not be made. This means that additional personnel and financial expenditure is required Location required.

Werden die Umgebungsbedingungen verändert oder soll ein anderes Objekt detektiert wer­ den, so muß der Näherungssensor stets neu abgeglichen werden. Weiterhin kann sich der einmal justierte Stand durch Temperaturabhängigkeiten oder Alterung ebenfalls verändern. Muß ein defekter Sensor ersetzt werden, so ist dieser Ersatz-Sensor ebenfalls individuell abzugleichen.Are the environmental conditions changed or should another object be detected the, the proximity sensor must always be readjusted. Furthermore, the once the stand has been adjusted, it can also be changed due to temperature dependencies or aging If a defective sensor has to be replaced, this replacement sensor is also individual adjust.

Neben dem manuellen Abgleich der Schaltschwelle gibt es weitere Verfahren. So zum Bei­ spiel kann man die späteren Einsatzbedingungen der Sensoren bereits beim Hersteller durch äquivalente Modelle nachbilden. Die Sensoren werden an dieses Modell angepaßt und sind dann am Einsatzort schon fertig kalibriert und sofort einsetzbar. Dieser zusätzliche Auf­ wand ist jedoch nur bei Serienfertigungen und großen Stückzahlen gerechtfertigt. Kleinste Veränderungen an den Einsatzbedingungen erfordern zusätzlich stets das Anfertigen neuer Modelle. Beim Hersteller ist ebenfalls zusätzlicher Aufwand für die jeweilige Justierung der Näherungssensoren erforderlich. Im Patent DE 39 40 082 C2 wird zum Beispiel ein solches Verfahren beschrieben.In addition to the manual adjustment of the switching threshold, there are other methods. So at You can play through the later operating conditions of the sensors at the manufacturer emulate equivalent models. The sensors are adapted to this model and are  then already calibrated on site and ready to use. This additional on However, wall is only justified for series production and large quantities. Smallest Changes to the operating conditions always require the creation of new ones Models. The manufacturer also requires additional effort for the respective adjustment of the Proximity sensors required. In patent DE 39 40 082 C2, for example, such a Procedure described.

Weitere Verfahren messen nach Einbau am jeweiligen Einsatzort zwei typische Grenzwerte der Näherungssensoren und bestimmen aus diesen Werten selbständig die Schaltschwelle. Für die Justierung plaziert der Anwender das zu detektierende Objekt in den Ansprech­ bereich des Sensors und betätigt am Sensor einen Tastschalter. Die Auswerteelektronik speichert diesen Wert des beeinflußten Zustands. Anschließend entfernt der Anwender das Objekt aus dem Ansprechbereich des Sensors und betätigt den Tastschalter erneut. Die Aus­ werteelektronik speichert auch diesen Wert des nichtbeeinflussten Zustands. Aus den beiden Grenzwerten ermittelt die Auswerteelektronik selbständig die Schaltschwelle.Other processes measure two typical limit values after installation at the respective site of the proximity sensors and independently determine the switching threshold from these values. For the adjustment, the user places the object to be detected in the response area of the sensor and actuates a button switch on the sensor. The evaluation electronics stores this value of the affected state. Then the user removes it Object from the response range of the sensor and actuates the key switch again. The out value electronics also stores this value of the unaffected state. From the two The evaluation electronics independently determine the switching threshold.

Dieser Vorgang kann auch automatisch erfolgen. Innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums ermittelt die Auswertelektronik des Sensors das maximal gemessene Sensorsignal (beeinfluß­ ter Zustand) und das minimal gemessene Sensorsignal (unbeeinflußter Zustand). Aus diesen Werten bestimmt die Auswertelektronik die Schaltschwelle. Dieser selbständige Meßvorgang kann auch automatisch nach vorgegebenen Intervallen wiederholt werden. Ein solches Ver­ fahren wird zum Beispiel im Patent DE 195 07 094 A1 beschrieben.This process can also take place automatically. Within a given period the evaluation electronics of the sensor determine the maximum measured sensor signal (influence ter state) and the minimum measured sensor signal (unaffected state). From these The evaluation electronics determines the switching threshold. This independent measuring process can also be repeated automatically at specified intervals. Such a ver driving is described for example in patent DE 195 07 094 A1.

Der Nachteil solcher Verfahren besteht darin, daß während des Eichvorgangs keine Meßfehler auftreten dürfen. Während des Eichvorgangs (oder mehrerer Eichzyklen) ist der kapazitive Näherungssensor nicht einsatzbereit. Die Eichzyklen sind nach vorgegebenen Zyklen stets zu wiederholen.The disadvantage of such methods is that there are no measurement errors during the calibration process may occur. During the calibration process (or several calibration cycles) the is capacitive Proximity sensor not ready for use. The calibration cycles are always based on specified cycles to repeat.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, deren Umset­ zung es ermöglicht, selbstabgleichende Näherungssensoren zu realisieren.The object of the invention is to provide a method and an arrangement, the implementation thereof tion makes it possible to implement self-balancing proximity sensors.

Die Schaltschwelle der Näherungsschalter paßt sich jeweils dynamisch an die Umgebungs­ bedingungen und die Eigenschaften der zu detektierenden Objekte an. Ziel ist es, sofort einsatzbereite Näherungssensoren zu realisieren, die unabhängig vom jeweiligen späteren Einsatzort und ohne zusätzlich Kalibrierung zuverlässig funktionieren. Manuelle oder selb­ ständige periodische Abgleiche solcher Sensoren entfallen somit. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Erfindung besteht darin, daß vom Hersteller ausgelieferte Sensoren am Einsatzort kein zusätzliches Personal zur Kalibrierung benötigen.The switching threshold of the proximity switches adapts dynamically to the environment conditions and the properties of the objects to be detected. The goal is immediately ready-to-use proximity sensors that are independent of the respective later Operate reliably and without additional calibration. Manual or same Constant periodic comparisons of such sensors are therefore no longer necessary. Another advantage of The invention described here is that the sensors supplied by the manufacturer on No additional personnel is required for the calibration.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Sensor nach der Montage in die jeweilige Applikation konstruktionsbedingt sofort einsatzbereit ist. Der Sensor verfügt über mehrere Aufnahmekapazitäten bzw. -induktivitäten, die quer (bzw. im allgemeinen Fall schräg) zur Bewegungsrichtung des sich nähernden Objekts ausgerichtet sind. Bewegt sich ein Objekt in den Ansprechbereich des Sensors hinein, so wird die Aufnahme - Impe­ danz verändert. Die Impedanz wird zeitlich fortlaufend gemessen und ausgewertet. Aus den gemessenen Werten berechnet man sekundäre Größen. Dies sind zum Beispiel Differenzen oder Differenzenquotienten der veränderlichen Impedanz. In diesem Patent wird ein Verfah­ ren beschrieben, das aus diesen Größen die Schaltschwelle des kapazitiven bzw. induktiven Näherungssensors automatisch ermittelt.A major advantage of the invention is that the sensor after installation in the respective application is immediately ready for use due to the design. The sensor has over several absorption capacities or inductivities which cross (or in general Case obliquely) to the direction of movement of the approaching object. Emotional If an object goes into the response range of the sensor, the recording impe danz changed. The impedance is continuously measured and evaluated over time. From the  secondary values are calculated. These are differences, for example or difference quotient of the variable impedance. One method is described in this patent Ren described that the switching threshold of the capacitive or inductive from these quantities Proximity sensor automatically determined.

Die Größe der Veränderung der Aufnahme-Impedanz des Sensors wird wesentlich von den Materialeigenschaften des sich nähernden Objekts beeinflußt. Im allgemeinen verfügen die Materialien über eine komplexe und frequenzabhängige Permeabilität und Permittivität. Aus elektronischer Sicht kann man im allgemeinen die Aufnahme-Impedanz des Sensors mittels einer Serienschaltung eines Widerstandes RR, einer Induktivität LR und einer Ka­ pazität CR modellieren. Die Werte der Netzwerkelemente werden vom Abstand Sensor- Objekt sowie von der Frequenz der verwendeten Auswerteschaltung bestimmt.The size of the change in the recording impedance of the sensor is significantly influenced by the material properties of the approaching object. In general, the materials have complex and frequency dependent permeability and permittivity. From an electronic point of view, one can generally model the pickup impedance of the sensor by means of a series connection of a resistor R R , an inductance L R and a capacitance C R. The values of the network elements are determined by the distance between the sensor and the object and by the frequency of the evaluation circuit used.

Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen für kapazitive und anschließend für induktive Sensoren beschrieben.In the following the invention is based on exemplary embodiments for capacitive and subsequent described for inductive sensors.

Kapazitive SensorenCapacitive sensors

Für kapazitive Sensoren kann man in einem vereinfachten Ersatzschaltbild die Aufnahme- Impedanz durch eine Reihenschaltung eines veränderlichen Kondensators CR und einem veränderlichen Widerstand RR nachbilden. Die Impedanz erhält man durch die Beziehung: Z = RR + 1/(jω CR). Die komplexe Permittivität ε = εr +. j εi des sich nähernden Objekts verändert die Größen CR und RR. Der imaginäre Anteil εi führt dabei zu realen Verlusten im Dielektrikum und beeinflußt damit RR. Zur Bestimmung des Abstands des sich nähernden Objekts kann sowohl CR als auch RR ausgewertet werden oder eine Kombination aus beiden Werten zum Beispiel der Betrag der Impedanz: |Z| = .For capacitive sensors, the pickup impedance can be simulated in a simplified equivalent circuit diagram by a series connection of a variable capacitor C R and a variable resistor R R. The impedance is obtained by the relationship: Z = R R + 1 / (jω C R ). The complex permittivity ε = ε r +. j ε i of the approaching object changes the sizes C R and R R. The imaginary part ε i leads to real losses in the dielectric and thus influences R R. To determine the distance of the approaching object, both C R and R R can be evaluated or a combination of both values, for example the amount of the impedance: | Z | =.

In einer vorteilhaften Ausführung enthält der kapazitive Sensor zwei Aufnahmekapazitäten. Wird das Objekt am Sensor vorbeibewegt, so befindet es sich zunächst nur im Ansprech­ bereich der einen Kapazität, die zweite Kapazität bleibt unbeeinflußt und konstant. Bei fortschreitender Bewegung wird dann die zweite Kapazität auch verändert. Die zwei Kapa­ zitäten werden somit aus drei übereinander und quer (bzw. im allgemeinen Fall schräg) zur Bewegungsrichtung angeordneten Elektroden gebildet. Die mittlere Elektrode kann dabei als gemeinsame Bezugselektrode für beide Kapazitäten verwendet werden. Eine mögliche konstruktive Ausführung einer solchen Elektrodenkonfiguration ist in Fig. 1 dargestellt. Die Darstellung entspricht bekannten Anordnungen, wie zum Beispiel in DE 40 37 927 A1 oder DE 196 44 777 A1 beschrieben.In an advantageous embodiment, the capacitive sensor contains two receiving capacities. If the object is moved past the sensor, it is initially only in the response range of one capacitance, the second capacitance remains unaffected and constant. As the movement continues, the second capacitance is also changed. The two capacities are thus formed from three electrodes arranged one above the other and transversely (or in the general case obliquely) to the direction of movement. The middle electrode can be used as a common reference electrode for both capacities. A possible constructive embodiment of such an electrode configuration is shown in FIG. 1. The representation corresponds to known arrangements, as described for example in DE 40 37 927 A1 or DE 196 44 777 A1.

Der Sensor kann auch aus mehr als zwei Kapazitäten bestehen. Dadurch kann die Genau­ igkeit und Meßsicherheit erhöht werden. In der einfachsten Ausführung besteht der Sensor jedoch aus zwei Kapazitäten, die aus drei Elektroden gebildet werden, wie in Fig. 1 dar­ gestellt. Im folgenden wird daher das Verfahren zur automatischen Einstellung der Schalt­ schwelle nur für diese vorteilhafte Ausführung beschrieben. Das Verfahren kann man auf Ausführungen mit mehr als zwei Kapazitäten in analoger Weise anwenden.The sensor can also consist of more than two capacitors. This can increase accuracy and measuring certainty. In the simplest version, however, the sensor consists of two capacitances which are formed from three electrodes, as shown in FIG. 1. In the following, the method for the automatic setting of the switching threshold is described only for this advantageous embodiment. The procedure can be applied in an analogous manner to designs with more than two capacities.

Für den Einsatz wird der Sensor in einer bestimmten Lage am Einsatzort montiert. Wird das Objekt am Sensor vorbeibewegt, so löst die Auswertelektronik ein Signal aus sobald sich das Objekt über der mittleren Elektrode befindet. Die geometrische Position der mittleren Elektrode bildet somit unabhängig vom Einsatz des Sensors und den Eigenschaften des zu detektierenden Objekts konstruktionsbedingt die Schaltschwelle.For use, the sensor is installed in a specific position on site. Becomes the object moves past the sensor, the evaluation electronics will trigger a signal as soon as the object is above the middle electrode. The geometric position of the middle The electrode thus forms regardless of the use of the sensor and the properties of the  due to the construction, the switching threshold.

Die beiden Kapazitäten und die drei Elektroden werden im folgenden entsprechend Fig. 1 C12 und C23 bzw. mit 1, 2 und 3 bezeichnet. Das sich nähernde Objekt beeinflußt nacheinan­ der die beiden Kapazitäten C12 und C23. Für die Auswertung werden zeitlich fortlaufend die beiden Kapazitäten C12 und C23 gemessen. Bewegt man das Objekt mit einer bestimmten Geschwindigkeit an den Elektroden vorbei, so kann man fünf typische Zustände unter­ scheiden:
The two capacitances and the three electrodes are designated in the following in accordance with FIG. 1 C 12 and C 23 or with 1, 2 and 3. The approaching object affects the two capacitances C 12 and C 23 . For the evaluation, the two capacitances C 12 and C 23 are measured continuously. If you move the object past the electrodes at a certain speed, you can distinguish between five typical states:

  • 1. Das Objekt befindet sich unterhalb der Elektrodenanordnung und nicht im Ansprech­ bereich der Kapazitäten. Die Kapazitäten C12 und C23 sindgleich groß und minimal. Diesem Zustand entspricht die Darstellung von Fig. 1.1. The object is below the electrode arrangement and not in the response area of the capacities. The capacities C 12 and C 23 are the same size and minimal. The representation of FIG. 1 corresponds to this state.
  • 2. Das Objekt befindet sich im Ansprechbereich der Sensorkapazität C12 die durch die Elektroden 1 und 2 gebildet wird. Die Kapazität C12 steigt an, die Kapazität C23 bleibt konstant.2. The object is in the response range of the sensor capacitance C 12 which is formed by the electrodes 1 and 2. The capacitance C 12 increases, the capacitance C 23 remains constant.
  • 3. Das Objekt überdeckt Elektrode 1 und ein Teil der Elektrode 2. Die Kapazität C12 hat ihren maximalen Wert erreicht. Die Kapazität C23 ist noch konstant und minimal. Die Differenz zwischen den Kapazitäten C12 und C23 ist an dieser Position maximal. Sobald sich das Objekt über die mittlere Elektrode hinweg bewegt, wird die Schaltschwelle des Sensors überschritten.3. The object covers electrode 1 and part of electrode 2. The capacitance C 12 has reached its maximum value. The capacitance C 23 is still constant and minimal. The difference between the capacitances C 12 and C 23 is maximum at this position. As soon as the object moves over the middle electrode, the switching threshold of the sensor is exceeded.
  • 4. Das Objekt überdeckt die Elektroden 1 und 2 und bewegt sich in den Ansprechbe­ reich der Kapazität C23 hinein, die durch die Elektroden 2 und 3 gebildet wird. Die Kapazität C12 ist konstant und maximal, die Kapazität C23 steigt an.4. The object covers the electrodes 1 and 2 and moves into the response area of the capacitance C 23 , which is formed by the electrodes 2 and 3. The capacitance C 12 is constant and maximum, the capacitance C 23 increases.
  • 5. Das Objekt überdeckt alle drei Elektroden. Die Kapazitäten C12 und C23 sind gleich groß und maximal.5. The object covers all three electrodes. The capacities C 12 and C 23 are the same size and maximum.

Zur automatischen Bestimmung der Schaltschwelle werden in zeitlicher Abfolge mehrere Werte für C12 und C23 gemessen. Aus diesen Werten können verschiedene sekundäre Größen ableitet werden. Dies wären zum Beispiel:
To determine the switching threshold automatically, several values for C 12 and C 23 are measured in chronological order. Various secondary variables can be derived from these values. For example:

  • - die Differenz von zeitgleich gemessenen Kapazitäten ΔC(t0) = C12(t0) - C23(t0)- the difference between simultaneously measured capacitances ΔC (t 0 ) = C 12 (t 0 ) - C 23 (t 0 )
  • - der zeitliche Differenzenquotient von ΔC: Cdiff Δ(t1) = ΔC(t1) - ΔC(t0)- the time difference quotient of ΔC: C diff Δ (t 1 ) = ΔC (t 1 ) - ΔC (t 0 )
  • - die Differenz von zeitlich aufeinanderfolgenden Werten von C12: Cdiff12(t1) = C12(t1) - C12(t0) bzw. C23: Cdiff23(t1) = C23(t1) - C23(t0); diese Größen entspre­ chen zeitlichen Differenzenquotienten.- the difference between chronologically successive values of C 12 : C diff12 (t 1 ) = C 12 (t 1 ) - C 12 (t 0 ) or C 23 : C diff23 (t 1 ) = C 23 (t 1 ) - C 23 (t 0 ); these quantities correspond to temporal difference quotients.

Bewegt man das Objekt am Sensor vorbei, so ergeben sich zeiliche Funktionen für diese Größen. Ein möglicher zeilicher Verlauf von Cdiff Δ(t) ist in Fig. 3 dargestellt. In einer allgemeinen Beschreibung kann man die Kapazitäten C durch entsprechende Impe­ danzen Z ersetzen. Im folgenden wird die Idee der Erfindung für induktive Näherungssenso­ ren näher beschrieben. Anschließend erfolgt die Beschreibung der automatischen Einstellung der Schaltschwelle anhand verallgemeinerter Impedanzen. If you move the object past the sensor, there are linear functions for these variables. A possible linear course of C diff Δ (t) is shown in FIG. 3. In a general description, capacities C can be replaced by corresponding impedances Z. In the following the idea of the invention for inductive proximity sensors is described in more detail. The automatic setting of the switching threshold is then described using generalized impedances.

Induktive SensorenInductive sensors

Die Aufnahme - Impedanz induktiver Sensoren kann man mittels einer Reihenschaltung, bestehend aus einer veränderlichen Induktivität LR und eines veränderlichen Widerstandes RR, modellieren. Die Impedanz erhält man entsprechend der Beziehung: Z = RR + jω LR. Das sich nähernde Objekt verfügt im allgemeinen über eine komplexe Permeabilität: µ = µr + jµi und beeinflußt somit die Größen LR und RR. Zur Bestimmung des Abstandes Objekt - Sensor kann man sowohl die Werte von LR und RR als auch daraus abgeleitete Größen verwenden.The recording impedance of inductive sensors can be modeled by means of a series connection consisting of a variable inductance L R and a variable resistance R R. The impedance is obtained according to the relationship: Z = R R + jω L R. The approaching object generally has a complex permeability: µ = µ r + jµ i and thus influences the quantities L R and R R. To determine the distance between the object and the sensor, both the values of L R and R R and quantities derived therefrom can be used.

In einer vorteilhaften Ausführung verfügt der induktive Sensor über zwei Induktivitäten (ausgeführt als Spulen). Wird das Objekt am Sensor vorbeibewegt, so befindet es, sich zu­ nächst nur im Ansprechbereich der einen Induktivität, die zweite Induktivität bleibt unbe­ einflußt und konstant. Bei fortschreitender Bewegung wird die zweite Induktivität ebenfalls verändert. Die beiden Induktivitäten werden aus zwei übereinander und quer (bzw. im all­ gemeinen Fall schräg) zur Bewegungsrichtung angeordneten Spulen gebildet. Eine mögliche konstruktive Ausführung einer solchen Spulenanordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Der Sensor kann auch aus mehr als zwei Spulen bestehen. Dadurch kann die Genauigkeit und Meßsicherheit erhöht werden. In der einfachsten Ausführung besteht der Sensor jedoch aus zwei Spulen, wie in Fig. 2 dargestellt. Im folgenden wird daher das Verfahren zur auto­ matischen Einstellung der. Schaltschwelle nur für diese vorteilhafte Ausführung beschrieben. Das Verfahren kann man auf Ausführungen mit mehr als zwei Spulen in analoger Weise anwenden.In an advantageous embodiment, the inductive sensor has two inductors (designed as coils). If the object is moved past the sensor, it is initially only in the response range of one inductor, the second inductor remains unaffected and constant. As the movement progresses, the second inductance is also changed. The two inductors are formed from two coils arranged one above the other and transversely (or in the general case obliquely) to the direction of movement. A possible constructive embodiment of such a coil arrangement is shown in FIG. 2. The sensor can also consist of more than two coils. As a result, the accuracy and measurement reliability can be increased. In the simplest version, however, the sensor consists of two coils, as shown in FIG. 2. In the following, the procedure for automatic adjustment of the. Switching threshold described only for this advantageous embodiment. The method can be applied in an analogous manner to designs with more than two coils.

Für den Einsatz wird der Sensor in einer bestimmten Lage am Einsatzort montiert. Wird das Objekt am Sensor vorbeibewegt, so löst die Auswertelektronik ein Signal aus, sobald sich das Objekt zwischen den beiden Spulen befindet. Die geometrische Position zwischen den beiden Spulen bildet somit unabhängig vom Einsatz des Sensors und den Eigenschaften des zu detektierenden Objekts konstruktionsbedingt die Schaltschwelle.For use, the sensor is installed in a specific position on site. Becomes If the object moves past the sensor, the evaluation electronics will trigger a signal as soon as the object is between the two coils. The geometric position between The two coils thus form regardless of the use of the sensor and the properties the switching threshold of the object to be detected due to the design.

Die beiden Induktivitäten werden im folgenden entsprechend Fig. 2 mit L1 und L2 bzw. mit 1 und 2 bezeichnet. Das sich nähernde Objekt beeinflußt nacheinander die beiden Induk­ tivitäten L1 und L2. In der folgenden Beschreibung des Verfahrens wird davon ausgegangen, daß der Betrag der komplexen Permeabilität größer als eins ist. Für diamagnetische Ma­ terialien mit einem Betrag kleiner als eins ist das hier beschriebene Verfahren in analoger Weise ebenfalls anwendbar.The two inductors are referred to in the following in accordance with FIG. 2 with L 1 and L 2 or with 1 and 2. The approaching object successively affects the two inductivities L 1 and L 2 . In the following description of the method it is assumed that the amount of the complex permeability is greater than one. For diamagnetic materials with an amount less than one, the method described here can also be used in an analogous manner.

Für die Auswertung werden zeitlich fortlaufend die beiden Induktivitäten L1 und L2 gemes­ sen. Bewegt man das Objekt mit einer bestimmten Geschwindigkeit an den Spulen vorbei, so kann man fünf typische Zustände unterscheiden:
For the evaluation, the two inductances L 1 and L 2 are measured continuously. If you move the object past the coils at a certain speed, you can distinguish between five typical states:

  • 1. Das Objekt befindet sich unterhalb der Spulen und somit nicht im Ansprechbereich der Induktivitäten. Die Induktivitäten L1 und L2 sind gleich groß und minimal. Diesem Zustand entspricht die Darstellung von Fig. 2.1. The object is below the coils and therefore not in the response range of the inductors. The inductors L 1 and L 2 are the same size and minimal. The representation of FIG. 2 corresponds to this state.
  • 2. Das Objekt befindet sich nur im Ansprechbereich der Sensorinduktivität L1. Bei fort­ schreitender Bewegung steigt die Induktivität L1 an, die Induktivität L2 bleibt kon­ stant. 2. The object is only in the response range of the sensor inductance L 1 . As the movement progresses, the inductance L 1 increases , the inductance L 2 remains constant.
  • 3. Das Objekt überdeckt nur Spule 1. Die Induktivität L1 hat ihren maximalen Wert erreicht. Die Induktivität L2 ist noch konstant und minimal. Die Differenz zwischen den Induktivitäten L1 und L2 ist an dieser Position maximal. Sobald sich das Objekt an dieser Stelle befindet, wird die Schaltschwelle des Sensors überschritten.3. The object only covers coil 1. The inductance L 1 has reached its maximum value. The inductance L 2 is still constant and minimal. The difference between the inductors L 1 and L 2 is maximum at this position. As soon as the object is at this point, the switching threshold of the sensor is exceeded.
  • 4. Das Objekt überdeckt Spule 1 und einen Teil von Spule 2. Es bewegt sich im An­ sprechbereich der Induktivität L2. Die Induktivität L1 ist konstant und maximal, die Induktivität L2 steigt an.4. The object covers coil 1 and part of coil 2. It moves in the response area of inductor L 2 . The inductance L 1 is constant and maximum, the inductance L 2 increases.
  • 5. Däs Objekt überdeckt beide Spulen. Die Induktivitäten L1 und L2 sind gleich groß und maximal.5. The object covers both coils. The inductances L 1 and L 2 are the same size and maximum.

Zur automatischen Bestimmung der Schaltschwelle des induktiven Sensors werden in zeitli­ cher Abfolge mehrere Werte für L1 und L2 gemessen. Aus diesen Werten können verschiedene sekundäre Größen ableitet werden. Dies wären zum Beispiel:
For the automatic determination of the switching threshold of the inductive sensor, several values for L 1 and L 2 are measured in chronological order. Various secondary variables can be derived from these values. For example:

  • - die Differenz von zeitgleich gemessenen Induktivitäten ΔL(t0) = L1(t0) - L2(t0),the difference between inductances ΔL (t 0 ) = L 1 (t 0 ) - L 2 (t 0 ) measured at the same time,
  • - der zeitliche Differenzenquotient von ΔL: Ldiff Δ(t1) = ΔL(t1) - ΔL(t0),- the time difference quotient of ΔL: L diff Δ (t 1 ) = ΔL (t 1 ) - ΔL (t 0 ),
  • - die Differenz von zeitlich aufeinanderfolgenden Werten von L1: Ldiff1(t1) = L1(t1) - L1(t0) bzw. L2: Ldiff2(t1) = L2(t1) - L2(t0); diese Größen entsprechen zeitlichen Differenzenquotienten..- the difference of temporally successive values of L 1 : L diff1 (t1) = L 1 (t 1 ) - L 1 (t 0 ) or L 2 : L diff2 (t 1 ) = L 2 (t 1 ) - L 2 (t 0 ); these quantities correspond to temporal difference quotients ..

Bewegt man das Objekt am Sensor vorbei, so ergeben sich zeiliche Funktionen für diese Größen. Ein möglicher zeilicher Verlauf von Ldiff Δ(t) ist in Fig. 4 dargestellt. In einer allgemeinen Beschreibung kann man die Induktivitäten L durch entsprechende Im­ pedanzen Z ersetzen. Im folgenden wird die Idee der Erfindung zur automatischen Einstel­ lung der Schaltschwelle kapazitiver sowie induktiver Näherungssensoren unter Verwendung verallgemeinerter Aufnahme - Impedanzen beschrieben.If you move the object past the sensor, there are linear functions for these variables. A possible linear course of L diff Δ (t) is shown in FIG. 4. In a general description, the inductances L can be replaced by corresponding pedals Z. In the following the idea of the invention for the automatic setting of the switching threshold capacitive and inductive proximity sensors using generalized recording impedances is described.

Die Größe Z diff Δ(t) wird zeilich fortlaufend ermittelt und man erhält verschiedene Werte Z diff Δ(tn). . .Z diff Δ(tk). Überschreitet nun die Differenz Z diff Δ(tk) - Z diff Δ(tn) einen vorgegebene Minimalwert (d. h. durch ein sich näherndes Objekt werden die Impedanzen ausreichend groß verändert) und haben die Werte Z diff Δ(tn) und Z diff Δ(tk) verschiedene Vorzeichen, so wurde die Schaltschwelle überschritten und die Auswertelektronik löst ein Signal aus. Mit dem hier beschriebenen Verfahren wird somit der Nulldurchgang der Größe Z diff Δ(t) detektiert.The quantity Z diff Δ (t) is continuously determined and various values Z diff Δ (t n ) are obtained. , , Z diff Δ (t k ). If the difference Z diff Δ (t k ) - Z diff Δ (t n ) now exceeds a predetermined minimum value (ie the impedances are changed sufficiently large by an approaching object) and the values Z diff Δ (t n ) and Z diff Δ (t k ) different signs, the switching threshold was exceeded and the evaluation electronics triggers a signal. With the method described here, the zero crossing of the quantity Z diff Δ (t) is thus detected.

Eine weitere Möglichkeit zur automatischen Bestimmung der Schaltschwelle besteht in der Ermittlung von Extremwerten (Maximum oder Minimum) der Größe ΔZ(t). Wird das Ob­ jekt am Sensor vorbeibewegt, so ist ΔZ(t) für kapazitive sowie induktive Sensoren an der Position der Schaltschwelle extrem. Die Auswertelektronik des Sensors muß also Extrem­ werte für ΔZ(t) ermitteln und bei Erreichen ein Signal auslösen.Another option for automatically determining the switching threshold is to determine extreme values (maximum or minimum) of the quantity Δ Z (t). If the object is moved past the sensor, Δ Z (t) for capacitive and inductive sensors is extreme at the position of the switching threshold. The evaluation electronics of the sensor must therefore determine extreme values for Δ Z (t) and trigger a signal when they are reached.

Durch Stör- oder Rauscheinflüsse sowie sehr kleine Impedanzveränderungen kann eine Unsi­ cherheit in der Detektionsgenauigkeit der Schaltschwelle auftreten. Weiterhin wurde in der beschriebenen Wirkungsweise bisher davon ausgegangen, daß die Geschwindigkeit mit der sich das Objekt am Sensor vorbei bewegt, näherungsweise konstant ist. Befindet sich das Objekt im Ansprechbereich des Sensors und ändert sich dessen Geschwindigkeit erheblich, so können zur Erhöhung der Detektionsgenauigkeit der Schaltschwelle weitere Kriterien ver­ wendet werden. Diese werden im folgenden im Detail beschrieben.Due to interference or noise influences and very small changes in impedance, an Unsi certainty in the detection accuracy of the switching threshold. Furthermore, in the  mode of operation described previously assumed that the speed with the the object moves past the sensor, is approximately constant. Is that Object in the response range of the sensor and its speed changes considerably, so further criteria can be used to increase the detection accuracy of the switching threshold be applied. These are described in detail below.

Befindet sich das Objekt über der mittleren Elektrode (kapazitive Sensoren, siehe Fig. 3) bzw. zwischen den Spulen (induktive Sensoren, siehe Fig. 4) so können neben den redun­ danten Bedingungen:
If the object is above the middle electrode (capacitive sensors, see Fig. 3) or between the coils (inductive sensors, see Fig. 4), in addition to the redundant conditions:

• Z diff Δ(t) = 0
• Z diff Δ (t) = 0

• ΔZ(t) → Extremum
• Δ Z (t) → extremum

zur Detektion der Schaltschwelle folgende weitere Kriterien verwendet werden:
The following additional criteria can be used to detect the switching threshold:

Weiterhin kann man mit der hier beschriebenen Erfindung auch die Richtung des sich nä­ hernden Objekts bestimmen. Nähert sich das Objekt von unten, wie in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt, gelten folgende Kriterien zur Detektion des Überschreitens der Schaltschwelle:
Furthermore, the direction of the approaching object can also be determined with the invention described here. If the object approaches from below, as shown in Fig. 1 or Fig. 2, the following criteria apply for the detection of the switching threshold being exceeded:

Nähert sich das Objekt von oben (entsprechend Fig. 1 bzw. Fig. 2), so gelten folgende Kriterien zur Detektion des Überschreitens der Schaltschwelle:
If the object approaches from above (corresponding to Fig. 1 or Fig. 2), the following criteria apply for the detection of the switching threshold being exceeded:

Zur Messung der Kapazitäten C12(t), C23(t) bzw. der Induktivitäten L1(t), L2(t) ist ei­ ne ausreichend genaue Auswerteelektronik zu verwenden. Zur Bestimmung der Differenzen kann man zum Beispiel die Impedanzen in äquivalente Spannungen umwandeln und Diffe­ renzen sowie Maximal- oder Minimalwerte bestimmen.To measure the capacitances C 12 (t), C 23 (t) or the inductances L 1 (t), L 2 (t), a sufficiently precise evaluation electronics must be used. To determine the differences, one can, for example, convert the impedances into equivalent voltages and differences, as well as determine maximum or minimum values.

Claims (14)

1. Verfahren zur automatischen Einstellung der Schaltschwelle kapazitiver Näherungs­ sensoren, wobei der Sensor über mindestens zwei Kapazitäten verfügt, die aus drei übereinander und quer (bzw. im allgemeinen Fall schräg) zur Bewegungsrichtung des Objekts angeordneten Elektroden gebildet werden, so daß das nähernde Objekt zu­ nächst in den Ansprechbereich der einen Kapazität gelangt und sich bei fortschreiten­ der Bewegung in den Ansprechbereich der zweiten Kapazität hineinbewegt, gekenn­ zeichnet dadurch, daß zeitlich fortlaufend die beiden Kapazitäten C12(t) und C23(t) gemessen und ausgewertet werden.1. A method for automatically adjusting the switching threshold of capacitive proximity sensors, the sensor having at least two capacitances which are formed from three electrodes arranged one above the other and transversely (or generally obliquely) to the direction of movement of the object, so that the approaching object next comes into the response range of one capacitance and moves into the response range of the second capacitance as the movement progresses, characterized in that the two capacitances C 12 (t) and C 23 (t) are measured and evaluated continuously over time. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man anstatt der beiden Kapazitäten C12(t) und C23(t), gebildet durch drei Elektroden, auch die Impedan­ zen Z 12(t) (Aquivalent zu C12(t)) und Z 23(t) (Äquivalent zu C23(t)) zwischen den Elektroden zeitlich fortlaufend messen und auswerten kann.2. The method according to claim 1, characterized in that instead of the two capacitances C 12 (t) and C 23 (t), formed by three electrodes, the impedances z 12 (t) (equivalent to C 12 (t) ) and Z 23 (t) (equivalent to C 23 (t)) between the electrodes can measure and evaluate continuously over time. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den zeitlich fortlaufenden Impedanzen Z 12(t) und Z 23(t) folgende sekundäre Größen berechnet werden:
  • - die Differenz von zeitgleich gemessenen Impedanzen ΔZ(t0) = Z 12(t0) - Z 23(t0)
  • - der zeiliche Differenzenquotient von ΔZ: Z diff Δ(t1) = ΔZ(t1) - ΔZ(t0)
  • - die Differenz von zeitlich aufeinanderfolgenden Werten von Z 12: Z diff12(t1) = Z 12(t1) - Z 12(t0) bzw. Z 23: Z diff23(t1) = Z 23(t1) - Z 23(t0); diese Größen entsprechen zeitlichen Differenzenquotienten.
3. The method according to claim 2, characterized in that the following secondary quantities are calculated from the temporally continuous impedances Z 12 (t) and Z 23 (t):
  • - the difference between simultaneously measured impedances Δ Z (t 0 ) = Z 12 (t 0 ) - Z 23 (t 0 )
  • - the line difference quotient of Δ Z : Z diff Δ (t 1 ) = Δ Z (t 1 ) - Δ Z (t 0 )
  • - the difference between chronologically successive values of Z 12 : Z diff12 (t 1 ) = Z 12 (t 1 ) - Z 12 (t 0 ) or Z 23 : Z diff23 (t 1 ) = Z 23 (t 1 ) - Z 23 (t 0 ); these quantities correspond to the time difference quotients.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor das Überschrei­ ten der Schaltschwelle signalisiert; wenn ein Nulldurchgang der Größe Z diff Δ(t) = Z diff Δ(tk) - Z diff Δ(tn) detektiert wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the sensor signals the exceeding th of the switching threshold; when a zero crossing of the magnitude Z diff Δ (t) = Z diff Δ (t k) - Z diff Δ (t n) is detected. 5. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensor das Überschreiten der Schaltschwelle signalisiert, wenn ein Extremwert (Minimum oder Maximum) der Größe ΔZ(t) = Z 12(t) - Z 23(t) detektiert wird.5. The method according to claim 3, characterized in that the sensor signals that the switching threshold is exceeded when an extreme value (minimum or maximum) of the size Δ Z (t) = Z 12 (t) - Z 23 (t) is detected. 6. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich zur Detektion des Überschreitens der Schaltschwelle des Sensors die. Größen
verwendet werden können. 6. The method according to claim 3, characterized in that in addition to the detection of exceeding the switching threshold of the sensor. Sizes
can be used. 7. Verfahren zui Detektion der Näherungsrichtung des sich bewegenden Objekts nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für ein sich aus der einen Richtung näherndes Objekt gilt:
Nähert sich das Objekt aus der entgegengesetzten Richtung, so gilt:
7. The method for detecting the direction of approach of the moving object according to claim 3, characterized in that for an object approaching from one direction:
If the object approaches from the opposite direction, the following applies:
8. Verfahren zur automatischen Einstellung der Schaltschwelle induktiver Näherungssen­ soren, wobei der Sensor über mindestens zwei Induktivitäten verfügt, die aus zwei übereinander und quer (bzw. im allgemeinen Fall schräg) zur Bewegungsrichtung des Objekts angeordneten Spulen gebildet werden, so daß das nähernde Objekt zunächst in den Ansprechbereich der einen Induktivität gelangt und sich bei fortschreitender Bewegung in den Ansprechbereich der zweiten Induktivität hineinbewegt, gekenn­ zeichnet dadurch, daß zeitlich fortlaufend die beiden Induktivitäten L1(t) und L2(t) gemessen und ausgewertet werden.8. A method for automatically adjusting the switching threshold of inductive proximity sensors, the sensor having at least two inductors which are formed from two coils arranged one above the other and transversely (or generally obliquely) to the direction of movement of the object, so that the approaching object initially enters the response range of one inductor and moves with progressive movement into the response range of the second inductance, characterized in that the two inductances L 1 (t) and L 2 (t) are measured and evaluated continuously over time. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man anstatt der beiden Induktivitäten L1 (t) und L2(t) auch die Impedanzen Z 1(t) (Äquivalent zu L1(t)) und Z 2(t) (Äquivalent zu L2(t)) der beiden Spulen zeitlich fortlaufend messen und auswerten kann.9. The method according to claim 8, characterized in that instead of the two inductors L 1 (t) and L 2 (t) also the impedances Z 1 (t) (equivalent to L 1 (t)) and Z 2 (t) (Equivalent to L 2 (t)) of the two coils can measure and evaluate continuously over time. 10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus den zeitlich fortlaufenden Impedanzen Z 1(t) und Z 2(t) folgende sekundäre Größen berechnet werden:
  • - die Differenz von zeitgleich gemessenen Impedanzen ΔZ(t0) = Z 1(t0) - Z 2(t0)
  • - der zeiliche Differenzenquotient von ΔZ: Z diff Δ(t1) = ΔZ(t1) - ΔZ(t0)
  • - die Differenz von zeitlich aufeinanderfolgenden Werten von Z 1: Z diff1(t1) = Z 1(t1) - Z 1(t0) bzw. Z 2: Zdiff2(t1) = Z 2(t1) - Z 2(t0); diese Größen entspre­ chen zeitlichen Differenzenquotienten.
10. The method according to claim 8, characterized in that the following secondary variables are calculated from the temporally continuous impedances Z 1 (t) and Z 2 (t):
  • - the difference between simultaneously measured impedances Δ Z (t 0 ) = Z 1 (t 0 ) - Z 2 (t 0 )
  • - the line difference quotient of Δ Z : Z diff Δ (t 1 ) = Δ Z (t 1 ) - Δ Z (t 0 )
  • - the difference between successive values of Z 1 : Z diff1 (t 1 ) = Z 1 (t 1 ) - Z 1 (t 0 ) or Z 2 : Z diff2 (t 1 ) = Z 2 (t 1 ) - Z 2 (t 0 ); these quantities correspond to temporal difference quotients.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor das Uberschrei­ ten der Schaltschwelle signalisiert, wenn ein Nulldurchgang der Größe Z diff Δ(t) Z diff Δ(tk) - Z diff Δ(tn) detektiert wird. 11. The method according to claim 8, characterized in that the sensor signals the overshoot th of the switching threshold when a zero crossing of the size Z diff Δ (t) Z diff Δ (t k ) - Z diff Δ (t n ) is detected. 12. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensor das Überschreiten der Schaltschwelle signalisiert, wenn ein Extremwert (Minimum oder Maximum) der Größe ΔZ(t) = Z 1(t) - Z 2(t) detektiert wird.12. The method according to claim 8, characterized in that the sensor signals the exceeding of the switching threshold when an extreme value (minimum or maximum) of the size Δ Z (t) = Z 1 (t) - Z 2 (t) is detected. 13. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich zur Detektion des Überschreitens der Schaltschwelle des Sensors die Größen
verwendet werden können.13. The method according to claim 8, characterized in that in addition to the detection of exceeding the switching threshold of the sensor, the sizes
can be used. 14. Verfahren zur Detektion der Näherungsrichtung des sich bewegenden Objekts nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für ein sich aus der einen Richtung näherndes Objekt gilt:
Nähert sich das Objekt aus der entgegengesetzten Richtung, so gilt:
14. A method for detecting the direction of approach of the moving object according to claim 8, characterized in that for an object approaching from one direction:
If the object approaches from the opposite direction, the following applies:
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