DE102005013441A1

DE102005013441A1 - Sensor mit kapazitivem Messprinzip

Info

Publication number: DE102005013441A1
Application number: DE102005013441A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Wagner; Norbert Dipl.-Ing. Reindl
Original assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Micro Epsilon Messtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2006-07-06
Also published as: CN101137814B; WO2006066524A1; US7545154B2; CN101137814A; EP1828524A1; JP2008524608A; EP1828524B1; DE502005010530D1; US20080007274A1; JP4901755B2; HK1112681A1

Abstract

Ein Sensor mit kapazitivem Messprinzip zur Detektion eines sich nähernden dielektrischen Mediums (5), vorzugsweise zur Detektion eines menschlichen Körperteils zur Anwendung in einem Einklemmschutz, mit einem Kondensator (1) und einer Auswerteelektronik, wobei die durch das Medium (5) hervorgerufene Änderung der Kapazität des Kondensators (1) messbar ist, ist im Hinblick auf die Unterscheidbarkeit eines menschlichen Körperteils oder eines Feststoffes gegenüber Wasser und/oder Feuchtigkeit dadurch gekennzeichnet, dass unter Ausnutzung eines unterschiedlichen Verhaltens dieser Medien in einem veränderlichen elektrischen Feld (4) der Kondensator (1) mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen und/oder mindestens zwei unterschiedlichen Tastverhältnissen in Folge betreibbar ist. Ein entsprechendes Verfahren ist angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit kapazitivem Messprinzip und ein Verfahren zur Detektion eines sich nähernden dielektrischen Mediums, vorzugsweise zur Detektion eines menschlichen Körperteils zur Anwendung in einem Einklemmschutz, mit einem Kondensator und einer Auswerteelektronik, wobei die durch das Medium hervorgerufene Änderung der Kapazität des Kondensators messbar ist.

Kapazitive Nährungssensoren sind aus der Praxis seit langem bekannt. Sie bestehen aus speziell ausgestalteten Kondensatoren, deren elektrisches Streufeld durch sich annähernde Gegenstände beeinflusst wird. Nichtleitende Gegenstände führen aufgrund ihrer gegenüber der Umgebungsluft erhöhten Dielektrizitätszahl zu einer Erhöhung der Kapazität des Sensors. Dabei ist die Kapazitätsänderung abhängig vom Abstand des Gegenstands vom Sensor, seiner Lage gegenüber dem Sensor, seiner Abmessung und seiner Dielektrizitätszahl. Zur Detektion eines sich nähernden Gegenstands muss die Kapazität des Sensors bestimmt werden, wozu alle dem Fachmann aus der Praxis bekannten Kapazitätsmessverfahren eingesetzt werden können. Meist ist der Sensor Teil eines Schwingkreises, der durch sich annähernde Gegenstände verstimmt wird oder bei geeigneter Dimensionierung des Schwingkreises erst durch Anwesenheit eines Gegenstands im Streufeld des Sensors schwingungsfähig wird. Speziell ausgestaltete Näherungssensoren sind in besonders vorteilhafter Weise in einem Einklemmschutz einsetzbar. Ein Beispiel hierzu zeigt die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 48 761 A1 .

Aufgrund des hohen Wassergehalts des menschlichen Körpers und der sehr hohen Dielektrizitätszahl von Wasser führt ein menschliches Körperteil im Streufeld eines Näherungssensors zu einem besonders hohen Messeffekt. Allerdings wird dadurch nicht nur die Anwesenheit eines menschlichen Körperteils detektiert, sondern auch Wasser und/oder Feuchtigkeit, das/die sich im Feld des Sensors befindet. Dies führt insbesondere bei Regen oder Nebel zu Fehlmessungen.

In der erwähnten DE 102 48 761 A1 wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Messergebnisse mehrerer derartiger Sensoren miteinander verglichen werden und unter der Annahme einer gleichmäßigen Wasser-/Feuchtigkeitsverteilung im Bereich der zusammengefassten Sensoren und der damit verbundenen gleichen Erhöhung der Kapazität aller Sensoren der Schwellwert der einzelnen Sensoren angepasst wird. Die Richtigkeit dieser Annahme kann jedoch nicht immer gewähr leistet werden. Außerdem führt der Einsatz mehrerer Sensoren mit zugeordneter Auswerteelektronik zu hohen Kosten und der Notwenigkeit des gegenseitigen Abgleichs der Sensoren.

Andere aus der Praxis bekannte Ansätze sehen den Einsatz von zusätzlichen Kompensationselektroden vor, die bei geeigneter Beschaltung und Dimensionierung die Einflüsse von Wasser und/oder Feuchtigkeit im Streufeld des Sensors abschwächen können. Allerdings sind auch hierbei wieder aufwendige Abgleichmaßnahmen notwendig.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Detektion eines sich nähernden dielektrischen Mediums, vorzugsweise zur Detektion eines menschlichen Körperteils, derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine sichere Messung unabhängig von Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit und/oder Wasser, bei einfacher Konstruktion gewährleistet ist.

Der erfindungsgemäße Sensor zur Detektion eines sich nähernden dielektrischen Mediums löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist ein solcher Sensor dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen und/oder mindestens zwei unterschiedlichen Tastverhältnissen in Folge betreibbar ist.

Hinsichtlich eines Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 11 gelöst. Hiernach ist ein Verfahren zur Detektion eines sich nähernden dielektrischen Mediums dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen und/oder mindestens zwei unterschiedlichen Tastverhältnisse in Folge betrieben wird.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass unter Verwendung eines Entladungsverfahrens zur Kapazitätsmessung bestimmte Verhaltensweisen einzelner dielektrischer Medien gegenüber veränderlichen elektrischen Feldern ausgenutzt werden können. Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass auf diese Weise menschliche Körperteile und verschiedene Feststoffe wie Holz und Polyäthylen gegenüber Wasser und/oder Feuchtigkeit unterscheidbar sind.

Bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Entladungsverfahren zur Kapazitätsmessung wird der Sensor an eine periodische, zeitliche veränderliche Spannungsquelle angeschlossen und während der Zeiten, in denen die von der Spannungsquelle gelieferte Ausgangsspannung im Wesentlichen gleich Null ist, die Ladung auf den Sensor gemessen. Aus dieser Ladung kann auf die Kapazität des Sensors geschlossen und auftretende Änderungen dieser Kapazität erkannt werden. Damit sind eindeutig in das Streufeld des Sensors eintretende dielektrische Medien detektierbar.

Durch Veränderung der Frequenz und des Tastverhältnisses der Ladespannung verändert sich der zeitliche Verlauf des durch den Sensor abgestrahlten elektrischen Streufelds. Unter einem Tastverhältnis versteht man den Quotienten aus der Periodendauer und der Impulsdauer einer periodischen, zeitlich veränderlichen Spannung. Die Dauer eines Impulses bezeichnet diejenige Zeitspanne, in der ein Spannungsstoß mit beliebigem zeitlichem Verlauf mehr als 50 % seiner Amplitude annimmt.

In einem durch Spannungen mit verschiedenen Frequenzen und/oder Tastverhältnissen erzeugten Streufeld zeigen verschiedene dielektrische Medien unterschiedliches Verhalten. So ist die durch ein menschliches Körperteil hervorgerufene Erhöhung der Kapazität des Sensors in einem weiten Frequenzbereich im Wesentlichen konstant. Entsprechendes gilt bei verschiedenen Tastverhältnissen. Viele Feststoffe wie Holz und Polyäthylen zeigen einen ähnlichen Effekt wie ein menschliches Körperteil. Demgegenüber erzeugt Wasser und/oder Feuchtigkeit im Streufeld des Sensors eine Erhöhung der Kapazität des Sensors, die von der verwendeten Frequenz und/oder dem verwendeten Tastverhältnis abhängig ist.

Eine Ursache hierfür liegt in den Dipoleigenschaften des Wassers. Da Wasser permanente Dipole ausbildet, kann in einem elektrischen Feld Orientierungspolarisation beobachtet werden. Bedingt durch ein anliegendes elektrisches Feld werden die einzelnen Dipole unter Überwindung ihrer Trägheit ausgerichtet. Dabei hängt der Grad der Ausrichtung von der Frequenz und der Dauer des anliegenden Feldes ab. Je höher die Frequenz gewählt wird, desto geringer ist die Reaktion (Ausrichtung) der Dipole bzw. desto höher ist die Wärmeentwicklung. Je kürzer die Dauer eines Impulses ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Dipol nicht komplett ausgerichtet werden kann.

Unter Ausnutzung dieses Effektes kann eine Klassifizierung der in das Streufeld des Sensors tretenden dielektrischen Medien getroffen werden. Dazu wird eine Gruppe von Messungen durchgeführt, die aus mindestens zwei Messungen mit mindestens zwei voneinander verschiedenen Frequenzen und/oder mindestens zwei voneinander verschiedenen Tastverhältnissen besteht. Dabei wird in vorteilhafter Weise die Zeitspanne zur Durchführung der Messungen so gewählt, dass eventuell auftretende Parameteränderungen beispielsweise durch geänderte Feuchtigkeitsverteilung oder Temperatureinflüsse vernachlässigbar sind. Vorzugsweise wird eine Gruppe von Messungen periodisch wiederholt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 11 nachgeordneten Ansprüche andererseits auf die nachfolgenden Erläuterungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen zu verweisen. In der Zeichnung zeigt
1 in einer schematischen Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines Sensors zur Detektion eines sich nähernden dielektrischen Mediums in einer Frontansicht und
2 in einer schematischen Darstellung den Schnitt A-A aus 1
1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung aus verschiedenen Ansichten. Dabei ist der den Sensor bildende Kondensator 1 durch zwei voneinander beabstandet angeordnete Drähte 2, 3 gebildet, die vorzugsweise im Wesentlichen parallel angeordnet sind. Anstelle von Drähten können sämtliche vergleichbare dem Fachmann aus der Praxis bekannten leitfähige Strukturen eingesetzt werden, wie zum Beispiel aufgedampfte oder aufgeklebte Leiterbahnen, leitfähige Polymerschichten oder Ähnlichem. Vorzugsweise sind die Drähte 2, 3 in der Dichtung eines Fensters, einer Heckklappe, einer Schiebetüre oder ähnlichen, motorisch bewegten Teilen eines Kraftfahrzeugs integriert. Generell kann die erfindungsgemäße Vorrichtung aber zur Absicherung aller elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder auf vergleichbare Weise bewegten Komponenten eingesetzt werden, bei denen die Gefahr des Einklemmens besteht. So wäre es denkbar, eine Kaufhaus-Drehtüre mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auszustatten und die Drehbewegung der Türe bei einer Einklemmsituation zu stoppen und gegebenenfalls die Drehrichtung kurzzeitig zu ändern.
Die den Kondensator bildenden Drähte 2, 3 werden durch eine nicht eingezeichnete Spannungsquelle bevorzugt mit einer Rechteckspannung beaufschlagt, deren Frequenz vorzugsweise zwischen 100 kHz und 10 MHz einstellbar ist. Prinzipiell wären noch höhere Frequenzen denkbar. Daneben ist die Spannung in ihrem Tastverhältnis einstellbar, wobei die Frequenz und das Tastverhältnis vorzugsweise unabhängig voneinander einstellbar sind. Dadurch wird in dem Kondensator 1 und in dessen Randbereich ein zeitlich veränderliches, elektrisches Streufeld 4 erzeugt, dessen Feldlinien in den 1 und 2 eingezeichnet sind. In diesem Streufeld 4 befindet sich ein schematisch dargestelltes dielektrisches Medium 5, das die Kapazität des Sensors erhöht. Hierbei kann es sich zum Beispiel um Wasser, Feuchtigkeit, ein menschliches Körperteil, ein Festkörper wie Holz oder Polyäthylen handeln.
Während einer Messung wird der Sensor mit dieser Rechteckspannung aufgeladen und danach, in gewissem zeitlichem Abstand dazu, die Ladung auf dem Kondensator gemessen. Die Messungen werden mit mindestens zwei verschiedenen Frequenzen und/oder Tastverhältnissen der Ladespannung durchgeführt und vorzugsweise periodisch wiederholt.
Aus der gemessenen Ladung wird auf die Kapazität des Sensors geschlossen und Änderungen der Kapazitäten in Bezug auf Werte aus früheren Gruppen von Messungen bestimmt. Sind diese Änderungen bei allen Messungen innerhalb der aktuellen Gruppe im Wesentlichen gleich, so wird daraus geschlossen, dass sich ein menschliches Körperteil und/oder ein Feststoff in der unmittelbaren Nähe des Sensors befindet. Sind die Änderungen bei allen Messungen innerhalb der aktuellen Gruppe voneinander verschieden, so wird darauf geschlossen, dass sich im Bereich des Sensors Wasser und/oder Feuchtigkeit befindet, zum Beispiel durch Regen und/oder nasse Dichtungen.
Schließlich sei angemerkt, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel die beanspruchte Lehre lediglich erläutert, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Sensor mit kapazitivem Messprinzip zur Detektion eines sich nähernden dielektrischen Mediums (5), vorzugsweise zur Detektion eines menschlichen Köperteils zur Anwendung in einem Einklemmschutz, mit einem Kondensator (1) und einer Auswerteelektronik, wobei die durch das Medium (5) hervorgerufene Änderung der Kapazität des Kondensators (1) messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen und/oder mindestens zwei unterschiedlichen Tastverhältnissen in Folge betreibbar ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) durch zwei voneinander beabstandet angeordnete Drähte (2, 3) oder vergleichbarer leitfähiger Strukturen gebildet ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (2, 3) im Wesentlichen parallel angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (2, 3) an den Randbereichen eines hinsichtlich einer Einklemmsituation kritischen Bereichs von elektrisch, pneumatisch, hydraulisch oder auf vergleichbare Weise bewegten Teilen angebracht sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte (2, 3) in die Dichtung eines Fensters, einer Heckklappe, einer Schiebetür oder ähnlichen, motorisch bewegten Teilen eines Kraftfahrzeugs integriert sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) mit einer periodischen, zeitlich veränderlichen Spannung beaufschlagbar ist.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung eine Rechteckspannung ist.
Sensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung in ihrer Frequenz, vorzugsweise zwischen 100 kHz und 10 MHz, einstellbar ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung in ihrem Tastverhältnis einstellbar ist.
Sensor nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz und das Tastverhältnis unabhängig voneinander einstellbar sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung des Kondensators (1) messbar ist.
Verfahren zur Detektion eines sich nähernden dielektrischen Mediums (5), vorzugsweise zur Detektion eines menschlichen Köperteils zur Anwendung in einem Einklemmschutz, mit einem Kondensator (1) und einer Auswerteelektronik, wobei die durch das Medium (5) hervorgerufene Änderung der Kapazität des Kondensators (1) gemessen wird, insbesondere unter Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) mit mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen und/oder mindestens zwei unterschiedlichen Tastverhältnissen in Folge betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) mit einer Rechteckspannung aufgeladen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung auf dem Kondensator (1) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung des Kondensators (1) und die Messung der Ladung in zeitlichem Abstand zueinander erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von Messungen mit mindestens zwei Messungen mit jeweils voneinander verschiedenen Frequenzen und/oder Tastverhältnissen der Ladespannung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass alle Messungen einer Gruppe in einem derart kurzen Zeitrahmen vorgenommen werden, dass Schwankungen einzelner Parameter vernachlässigbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Messungen periodisch wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass aus der gemessenen Ladung auf die Kapazität des Kondensators (1) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf in das Feld des Kondensators eingebrachtes Wasser geschlossen wird, wenn die durch das Dielektrikum (5) hervorgerufene Änderung der Kapazität bei allen Messungen innerhalb einer Gruppe andere Werte annimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein in das Feld des Kondensators eingebrachtes menschliches Körperteil geschlossen wird, wenn die durch das Dielektrikum (5) hervorgerufene Änderung der Kapazität bei allen Messungen innerhalb einer Gruppe im Wesentlichen gleich ist.