DE102007014343B4

DE102007014343B4 - Electronically calibrated proximity switch

Info

Publication number: DE102007014343B4
Application number: DE200710014343
Authority: DE
Inventors: Torsten Wendler; Jens Müller
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: DE102007014343A1

Abstract

Näherungsschalter mit einer Sendespule (S), die als Teil eines Oszillators ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches von einem Auslöser, abhängig von seinem Abstand zum Näherungsschalter, verschieden beeinflusst wird, mit einem Empfangsspulenkreis, der eine erste Empfangsspule (E1) mit einer ersten Spulenwickelungsrichtung und einer zweiten Empfangsspule (E2) mit einer zur ersten Spulenwicklungsrichtung entgegengerichteten zweiten Spulenwicklungsrichtung umfasst, mit denen das vom Auslöser beeinflusste Wechselfeld als Differenzsignal empfangen wird, mit einem Verstärker (V), der das verstärkte Differenzsignal an den Oszillator zurückkoppelt, mit einem Mikrocontroller (μC), der aus dem verstärkten Differenzsignal ein Ausgangssignal (A) formt, welches sich ändert, wenn der sich dem Näherungsschalter annähernde Auslöser einen vorbestimmbaren Schaltabstand erreicht, wobei der Mikrocontroller (μC) ein den Schaltabstand bestimmendes Einstellsignal erzeugt, mit dem ein Einstellglied angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellglied mindestens einen ersten, im Empfangsspulenkreis angeordneten, durch eine aus dem Einstellsignal gewonnene Spannung trimmbaren Widerstand (W1, W2) aufweist.proximity switch with a transmitting coil (S), which as part of an oscillator an electromagnetic Alternate field generated by a trigger, depending on its distance to the Proximity switches, different is influenced, with a receiving coil circuit, a first Receiving coil (E1) with a first Spulenwickelungsrichtung and a second receiving coil (E2) with a direction opposite to the first coil winding direction second coil winding direction, with which the trigger-influenced Alternating field is received as a differential signal, with an amplifier (V), the reinforced one The differential signal is fed back to the oscillator with a microcontroller (μC), the from the reinforced Difference signal forms an output signal (A), which changes when which is the proximity switch approximate trigger reaches a predeterminable switching distance, wherein the microcontroller (μC) the switching distance determining setting signal generated with the one Setting member is driven, characterized in that the Setting member at least a first, arranged in the receiving coil circuit, trimmable by a voltage obtained from the adjustment signal Resistor (W1, W2) has.

Description

Die Erfindung betrifft einen Näherungsschalter gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a proximity switch according to the generic term of claim 1.

Ein derartiger Näherungsschalter ist aus der DE 10 2004 006 901 A1 vorbekannt. Dort wird ein Näherungsschalter beschrieben, der einen Sendeoszillator aufweist. Der Sendeoszillator besitzt eine Sendespule, mit der ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Die Schaltung besitzt ferner Empfangsspulen, die als Differenzspulenanordnung geschaltet ist. Das Sensorsignal wird an einen Schwellwertschalter gegeben. Am Schwellwertschalter liegt eine konstante Schwellwertspannung an. Je nachdem, ob das Sensorsignal über der Schwellspannung oder unter der Schwellspannung liegt, ist das Ausgangssignal des Schwellwertschalters hoch oder niedrig. Das Ausgangssignal liegt an einem Mikrocontroller an. Dieser Mikrocontroller besitzt einen weiteren Eingang, an dem ein Temperaturfühler angeschlossen ist. Abhängig von dem temperaturfühlergemessenen Temperaturwert wird die Versorgungsspannung des Oszillators variiert. Über die Variation der Versorgungsspannung wird der Einfluss der Temperatur auf den Schaltabstand kompensiert. Vom Mikroprozessor wird ein pulsweitenmoduliertes Signal geliefert. Dieses wird mit einem Tiefpassfilter zu einer Gleichspannung geglättet. Diese liegt an einem Transistor an.Such a proximity switch is out of DE 10 2004 006 901 A1 previously known. There, a proximity switch is described, which has a transmitting oscillator. The transmitting oscillator has a transmitting coil with which a magnetic alternating field is generated. The circuit further has receiving coils, which is connected as a differential coil arrangement. The sensor signal is sent to a threshold value switch. At the threshold value is a constant threshold voltage. Depending on whether the sensor signal is above the threshold voltage or below the threshold voltage, the output signal of the threshold switch is high or low. The output signal is applied to a microcontroller. This microcontroller has another input to which a temperature sensor is connected. Depending on the temperature sensor measured temperature value, the supply voltage of the oscillator is varied. The variation of the supply voltage compensates the influence of the temperature on the switching distance. The microprocessor delivers a pulse width modulated signal. This is smoothed with a low-pass filter to a DC voltage. This is connected to a transistor.

Aus der DE 36 08 639 C3 ist eine Schaltungsanordnung zur Einstellung der Empfindlichkeit eine Sensors bekannt. Diese Anordnung besitzt eine Vielzahl von elektronisch trimmbaren Widerständen. Die Widerstände sind in einer Matrix angeordnet und werden über Schalttransistoren entweder zu- oder abgeschaltet.From the DE 36 08 639 C3 a circuit for adjusting the sensitivity of a sensor is known. This arrangement has a plurality of electronically trimmable resistors. The resistors are arranged in a matrix and are either switched on or off via switching transistors.

Aus der DE 40 06 893 C2 ist ein Induktiver Näherungsschalter vorbekannt, bei dem Einstellwerte in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden. Über einen automatischen Kalibrierlauf werden die Einstellwerte ermittelt.From the DE 40 06 893 C2 For example, an inductive proximity switch is previously known in which setting values are stored in a non-volatile memory. The settings are determined via an automatic calibration run.

Aus der DE 41 23 828 C2 ist ein berührungsloser Näherungsschalter bekannt, bei dem Einstellwerte in einem Datenspeicher abgelegt werden.From the DE 41 23 828 C2 a non-contact proximity switch is known in which setting values are stored in a data memory.

Die DE 36 08 639 C3 beschreibt einen Näherungsschalter mit einer Sendespule und zwei Empfangsspulen, die ein Differenzsignal liefern.The DE 36 08 639 C3 describes a proximity switch with a transmitting coil and two receiving coils that provide a differential signal.

Die DE 100 03 913 A1 beschreibt verschieden gestaltete induktive Näherungsschalter und insbesondere eine Prinzipschaltung eines Näherungsschalters, bei dem ein Taktgenerator und ein Stromimpulsschalter einen Stromimpuls generieren, der durch eine Querspule zweier Spulenpaare fließt. Das Differenzsignal wird durch eine Steuerelektronik ausgewertet. Die Steuerelektronik enthält einen einstellbaren Widerstand, mit dem eine Referenzspannung eingestellt werden kann, mittels derer der Schaltabstand beeinflussbar ist.The DE 100 03 913 A1 describes differently designed inductive proximity switches and in particular a basic circuit of a proximity switch, in which a clock generator and a current pulse switch generate a current pulse which flows through a transverse coil of two coil pairs. The difference signal is evaluated by control electronics. The control electronics includes an adjustable resistor, with which a reference voltage can be adjusted, by means of which the switching distance can be influenced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Näherungsschalter mit einfachen Mitteln derart weiterzubilden, dass der Schaltabstand in fertig montiertem Zustand einstellbar ist.Of the Invention is based on the object, a generic proximity switch with simple means in such a way that the switching distance is adjustable in the assembled state.

Des Weiteren soll der Schaltabstand über den Einsatztemperaturbereich konstant gehalten werden können.Of Furthermore, the switching distance over the Use temperature range can be kept constant.

Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass das Einstellglied mindestens einen elektronisch trimmbaren Widerstand aufweist. Dieser Widerstand soll im Empfangsspulenkreis angeordnet sein und von einer aus dem Einstellsignal gewonnenen Spannung trimmbar sein. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der trimmbare Widerstand einen zur Kollektoremitterstrecke eines Trimmtransistors parallel geschalteten, den Maximalwert des trimmbaren Widerstandes definierenden Festwiderstand aufweist. Es können zwei trimmbare Widerstände vorgesehen sein. Diese Widerstände können im Wesentlichen zueinander parallel geschaltet sein. Ein Widerstand kann in Reihe zu den beiden Empfangsspulen geschaltet sein. Der andere trimmbare Widerstand kann an einem Abgriff, bspw. Mittenabgriff, einer der beiden Empfangsspulen liegen. Das Einstellsignal kann ein pulsweitenmoduliertes Signal sein. Dieses wird in bekannter Weise über einen Tiefpassfilter in eine Gleichspannung umgewandelt. Diese Gleichspannung kann an der Basis des Trimmwiderstandes anliegen. Über die Basisspannung wird der Innenwiderstand des Transistors eingestellt. Da der Transistor parallel zum Widerstand geschaltet ist, vermindert sich dadurch der Widerstand des trimmbaren Widerstandes. Der Minimalwiderstand des trimmbaren Widerstandes kann Null werden. Der maximale Widerstand des Trimmwiderstandes ist durch einen Festwiderstand gegeben. Die Schaltung kann einen Temperaturfühler aufweisen. Das Einstellsignal kann sich während des Betriebes des Näherungsschalters ändern. Hierzu ist im Mikrocontroller eine Tabelle abgelegt, so dass eine Temperaturkompensation des Schaltabstandes vorgenommen werden kann. Die Werte für das Einstellsignal bzw. für die Einstecksignale können in Speicherzellen des Mikrocontrollers abgelegt werden. Die Werte werden in einem Kalibrierlauf ermittelt. Dieser Kalibrierlauf kann unter standardisierten Temperaturbedingungen mit einem Auslöser, der in einem Sollabstand positioniert ist, durchgeführt werden. Gestartet wird der Kalibrierlauf durch ein äußeres Signal. Danach werden die Einstellsignale nach einem bestimmten Algorithmus derartig geändert, dass die Wider stände sich schrittweise verändern. Es handelt sich dabei um ein iteratives Verfahren, bei dem im Wege einer Intervallschachtelung das Wertepaar für die Einstellwerte gefunden wird, bei welchem das Ausgangssignal wechselt, wenn der Auslöser den Schaltabstand erreicht hat.First and foremost, it is provided that the adjusting member has at least one electronically trimmable resistor. This resistor should be arranged in the receiving coil circuit and be trimmable by a voltage obtained from the adjustment signal. In a further development, it is provided that the trimmable resistor has a fixed resistor connected in parallel with the collector emitter path of a trimming transistor and defining the maximum value of the trimmable resistor. Two trimmable resistors can be provided. These resistors can essentially be connected in parallel to one another. A resistor may be connected in series with the two receiving coils. The other trimmable resistor may be at a tap, for example. Mittenabgriff, one of the two receiving coils. The adjustment signal may be a pulse width modulated signal. This is converted in a known manner via a low-pass filter into a DC voltage. This DC voltage can be applied to the base of the trim resistor. The internal resistance of the transistor is set via the base voltage. Since the transistor is connected in parallel with the resistor, this reduces the resistance of the trimmable resistor. The minimum resistance of the trimmable resistor can become zero. The maximum resistance of the trim resistor is given by a fixed resistor. The circuit may include a temperature sensor. The adjustment signal may change during the operation of the proximity switch. For this purpose, a table is stored in the microcontroller, so that a temperature compensation of the switching distance can be made. The values for the adjustment signal or for the plug-in signals can be stored in memory cells of the microcontroller. The values are determined in a calibration run. This calibration run can be performed under standardized temperature conditions with a trigger positioned at a desired distance. The calibration run is started by an external signal. Thereafter, the adjustment signals are changed according to a specific algorithm such that the opponent states change gradually. It is an iterative process in which, by way of an interval the value pair for the setting values is found at which the output signal changes when the trigger has reached the switching distance.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Schaltbildes erläutert.One embodiment The invention will be explained below with reference to a circuit diagram.

Das Schaltbild zeigt einen Oszillator, der von einer Sendespule S und einem Kondensator gebildet wird. Dieser Oszillator ist einerseits an einer Spannungsquelle eines Mikrocontrollers μC angeschlossen. Andererseits ist der Oszillator S, C am Ausgang eines Verstärkers und am Eingang des Mikrocontrollers μC angeschlossen.The Wiring diagram shows an oscillator used by a transmitting coil S and a capacitor is formed. This oscillator is on the one hand connected to a voltage source of a microcontroller μC. on the other hand the oscillator S, C is connected to the output of an amplifier and to the input of the microcontroller μC.

Am Eingang des Verstärkers V ist ein Empfangsspulenkreis angeschlossen. Dies erfolgt unter Zwischenschaltung eines Kondensators. Der Empfangsspulenkreis besteht aus einer ersten Empfangsspule E1 mit einem ersten Wicklungssinn und einer zweiten Empfangsspule E2 mit einem zweiten Wicklungssinn. Die Wicklungssinne der beiden Empfangsspulen E1 und E2 sind entgegengerichtet, so dass die Reihe geschalteten Empfangsspulen E1, E2 ein Differenzsignal empfangen. Hierzu sind die Empfangsspulen E1, E2 so angeordnet, wie es beispielsweise in der DE 40 31 262 C1 beschrieben ist. Die Sendespule S und die beiden Empfangsspulen E1, E2 können von Planarspulen gebildet sein. Die Spulen können in Achsrichtung hintereinander angeordnet sein. Die Spulen S, Ei, E2 können einen axialen Abstand voneinander besitzen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Sendespule S zwischen die beiden Empfangsspulen Ei, E2 angeordnet ist.At the input of the amplifier V, a receiving coil circuit is connected. This is done with the interposition of a capacitor. The receiving coil circuit consists of a first receiving coil E1 with a first winding sense and a second receiving coil E2 with a second winding sense. The sense of winding of the two receiving coils E1 and E2 are opposite, so that the series-connected receiving coils E1, E2 receive a differential signal. For this purpose, the receiving coils E1, E2 are arranged, as for example in the DE 40 31 262 C1 is described. The transmitting coil S and the two receiving coils E1, E2 may be formed by planar coils. The coils can be arranged one behind the other in the axial direction. The coils S, Ei, E2 may have an axial distance from each other. It is provided in particular that the transmitting coil S is arranged between the two receiving coils Ei, E2.

Die Spulenanordnung kann auch so vorgenommen werden, wie sie die DE 10 350733 B1 beschreibt. Dann sind anstelle von einer Sendespule zwei Sendespulen vorgesehen. Eine Sendespule ist parallel zu einer Empfangsspule und eine weitere Sendespule parallel zur anderen Empfangsspule geschaltet.The coil arrangement can also be made as they DE 10 350733 B1 describes. Then, two transmitting coils are provided instead of a transmitting coil. A transmitting coil is connected in parallel to a receiving coil and another transmitting coil in parallel to the other receiving coil.

In Reihe mit den beiden Empfangsspulen E1, E2 ist ein elektrisch trimmbarer Widerstand W2 geschaltet. Parallel zu diesem elektrisch trimmbaren Widerstand W2 ist ein weiterer elektrisch trimmbarer Widerstand W1 geschaltet. Dieser ist im Wesentlichen in Reihe zum elektrisch trimmbaren Widerstand W2 geschaltet und liegt an einem Mittenabgriff der Empfangsspule E1 an.In Row with the two receiver coils E1, E2 is an electrically trimmable Resistor W2 switched. Parallel to this electrically trimmable resistor W2 is another electrically trimmable resistor W1 connected. This is essentially in series with the electrically trimmable resistor W2 switched and is located at a center tap of the receiving coil E1 at.

Der erste elektrisch trimmbare Widerstand W1 besteht aus einem Festwiderstand R1 und einem Transistor T1. Der Widerstand R1 ist parallel zur Kollektoremitterstrecke des Transistors T1 geschaltet. An der Basis des Transistors T1 liegt eine Gleichspannung an. Diese wird durch Umwandlung eines pulsweiten modulierten Ausgangssignal des Mikrocontrollers gebildet. Hierzu kann ein nicht dargestellter Gleichrichter bzw. ein nicht dargestellter Tiefpressfilter vorgesehen sein.Of the first electrically trimmable resistor W1 consists of a fixed resistor R1 and a transistor T1. The resistor R1 is parallel to the collector emitter line of the transistor T1 connected. At the base of the transistor T1 is located a DC voltage. This is done by converting a pulse width formed modulated output of the microcontroller. For this may be an unillustrated rectifier or not shown Deep-pressure filter may be provided.

Der zweite elektronisch trimmbare Widerstand W2 ist im Prinzip genauso ausgebildet. Auch er besteht aus einem festen Widerstand R2, der parallel zur Kollektoremitterstrecke eines Transistors T2 angeordnet ist. Auch hier liegt an der Basis des Transistors T2 eine Gleichspannung an, die aus einem pulsweiten modulierten Signal des Mikrocontrollers μC gewonnen wird.Of the second electronically trimmable resistor W2 is basically the same educated. It also consists of a fixed resistor R2, the arranged parallel to the collector emitter path of a transistor T2 is. Again, there is a DC voltage at the base of the transistor T2 obtained from a pulse width modulated signal of the microcontroller μC becomes.

Am Mikrocontroller μC ist darüber hinaus noch ein Temperaturfühler TF angeschlossen. Dieser kann aus einer Diodenstrecke gebildet sein. Der Mikrocontroller μC liefert ein Ausgangssignal A, welches sich ändert, wenn ein nicht dargestellter Metallauslöser einen vorbestimmten Schaltabstand erreicht.At the Microcontroller μC is about it There is also a temperature sensor TF connected. This can be formed from a diode path. The microcontroller μC provides an output signal A which changes when not shown metal shutter reaches a predetermined switching distance.

Der Schaltabstand kann durch Variation der Widerstände W1, W2 voreingestellt werden. Durch Variation dieser beiden Widerstände W1, W2 oder auch nur eines dieser beiden Widerstände W1, W2, kann auch eine Temperaturkompensation vorgenommen werden.Of the Sensing distance can be preset by varying the resistors W1, W2. By variation of these two resistors W1, W2 or only one of these two resistances W1, W2, also a temperature compensation can be made.

Der Oszillator S C erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Die beiden Empfangsspulen E1, E2 sind in Reihe geschaltet und vom elektromagnetischen Wechselfeld durchsetzt. Nähert sich ein metallischer Auslöser in das von der Sendespule S erzeugte elektromagnetische Wechselfeld, so wird es beeinflusst. Die Differenzspannung, die die Ausgangsspannung des Empfangsspulenkreises ist, und die am Verstärker V anliegt, ändert sich dabei. Liegt Phasengleichheit zwischen Differenzspannung und Oszillatorspannung vor, schwingt der Oszillator. Wechselt die Phase der Empfangsspulenanordnung, so schwingt der Oszillator nicht. Dieser Phasenwechsel definiert den Schaltabstand.Of the Oscillator S C generates a magnetic alternating field. The two Reception coils E1, E2 are connected in series and from the electromagnetic Alternating field interspersed. approaches a metallic trigger in the electromagnetic field generated by the transmitting coil S, that's how it's influenced. The difference voltage, which is the output voltage of the receiving coil circuit, and which is applied to the amplifier V, changes there. Is the phase equality between the differential voltage and the oscillator voltage before, the oscillator oscillates. If the phase of the receiving coil arrangement changes, so does not oscillate the oscillator. This phase change defines the switching distance.

Nach der Montage des Sensors erfolgt die Erstkalibrierung des Schaltabstandes. Über die beiden individuell einstellbaren pulsweiten Modulationssignale kann der Mikrocontroller μC die beiden elektrisch trimmbaren Widerstände W1, W2 einstellen. Dazu wird das wird das PWM-Signal nach entsprechender Gleichrichtung auf je einen Transistor T1, T2 gegeben, welcher parallel zum Brückenwiderstand R1, R2 liegt. Durch eine gezielte Änderung des Transistorausgangsleitwertes kann nun das Brückenverhältnis sowohl in Richtung einer Schaltabstandsvergrößerung, als auch in Richtung einer Schaltabstandsverkleinerung geändert werden.To When mounting the sensor, the initial calibration of the switching distance takes place. About the both individually adjustable pulse-width modulation signals can the microcontroller μC set the two electrically trimmable resistors W1, W2. To this will be the PWM signal after appropriate rectification each given to a transistor T1, T2, which parallel to the bridge resistor R1, R2 is. Through a targeted change Transistorausgangsleitwertes can now the bridge ratio both in the direction of Switching distance increase, be changed as well as in the direction of a switching distance reduction.

Die Startwerte, mit denen der Kalibrierprozess begonnen wird, sind entweder die jeweils maximalen Widerstandswerte, die durch die Werte der Festwiderstände R1, R2 bestimmt sind, oder die minimalen Widerstandswerte, die in beiden Fällen nahezu Null betragen können bzw. eine Kombination aus beiden.The starting values at which the calibration process is started are either the respective maximum resistance values which are determined by the values of the Fixed resistors R1, R2 are determined, or the minimum resistance values, which can be almost zero in both cases, or a combination of both.

Der Kalibrierprozess erfolgt nach einem vorgegebenen Algorithmus, bei dem schrittweise die Widerstände W1 bzw. W2 geändert werden, bis sich das Ausgangssignal ändert. Es erfolgt zunächst eine Grobabstimmung und hernach eine Feinabstimmung.Of the Calibration process is carried out according to a predetermined algorithm, at the gradual resistance W1 or W2 changed until the output signal changes. There is first a rough vote and afterwards a fine-tuning.

Des Weiteren lässt sich eine aktive Temperaturkompensation durchführen, indem, abhängig von der mit dem Temperaturfühler TF gemessenen Temperatur die Widerstände W1, W2 geändert werden.Of Let others to perform an active temperature compensation by, depending on the with the temperature sensor TF measured temperature, the resistors W1, W2 be changed.

Die Transistoren T1, T2 können sowohl als Bipolar-Transistoren, als auch als MOS-Transistoren ausgebildet sein.The Transistors T1, T2 can designed both as bipolar transistors, as well as MOS transistors be.

Claims

Proximity switch with a transmitting coil (S), which generates as part of an oscillator, an alternating electromagnetic field, which is influenced differently by a trigger, depending on its distance from the proximity switch, with a receiving coil circuit having a first receiving coil (E1) with a first Spulenwickelungsrichtung and a second receiver coil (E2) with a second coil winding direction opposite to the first coil winding direction, with which the alternating field influenced by the trigger is received as a difference signal, with an amplifier (V), which feeds the amplified difference signal back to the oscillator, with a microcontroller (μC) which forms from the amplified difference signal an output signal (A) which changes when the trigger approaching the proximity switch reaches a predeterminable switching distance, wherein the microcontroller (μC) generates a switching distance determining setting signal to which e in adjusting member is driven, characterized in that the adjusting member at least a first, arranged in the receiving coil circuit, by a voltage obtained from the set voltage trimmable resistor (W1, W2).

proximity switch according to claim 1, characterized in that the trimmable resistor (W1, W2) one to the collector-emitter path of a trimming transistor (T1, T2) connected in parallel, the maximum value of the trimmable resistor (W1, W2) defining the fixed resistance (R1, R2).

proximity switch according to claim 2, characterized in that the trimming transistors (T1, T2) are bipolar transistors or MOS transistors.

proximity switch according to one of the preceding claims, characterized that the trimmable resistor (W1) at a tap, in particular a center tap of a receiving coil (E1) is located.

proximity switch according to one of the preceding claims, characterized that the trimmable resistor (W2) in series with the two receiving coils (E1, E2) is switched.

proximity switch according to one of the preceding claims, characterized by two essentially parallel to each other, each having a fixed resistor (R1, R2) and a trim transistor (T1, T2) having electronically trimmable resistors (W1, W2).

proximity switch according to one of the preceding claims, characterized the adjustment signal is a pulse width modulated signal.

proximity switch according to one of the preceding claims, characterized by two pulse width modulated signals, each for setting one of the two electronically trimmable resistors (W1, W2).

proximity switch according to one of the preceding claims, characterized by a temperature sensor (TF) for temperature compensation of the switching distance via a variation of the setting signal.