DE102015221178B4 - Capacitive sensor - Google Patents

Capacitive sensor Download PDF

Info

Publication number
DE102015221178B4
DE102015221178B4 DE102015221178.9A DE102015221178A DE102015221178B4 DE 102015221178 B4 DE102015221178 B4 DE 102015221178B4 DE 102015221178 A DE102015221178 A DE 102015221178A DE 102015221178 B4 DE102015221178 B4 DE 102015221178B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
transmission
signals
signal
electrode
code
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102015221178.9A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102015221178A1 (en
Inventor
Markus Tahedl
Sabine Kampf
Francesco Bernd
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFM Electronic GmbH
Original Assignee
IFM Electronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFM Electronic GmbH filed Critical IFM Electronic GmbH
Priority to DE102015221178.9A priority Critical patent/DE102015221178B4/en
Publication of DE102015221178A1 publication Critical patent/DE102015221178A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102015221178B4 publication Critical patent/DE102015221178B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65DCONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D21/00Nestable, stackable or joinable containers; Containers of variable capacity
    • B65D21/02Containers specially shaped, or provided with fittings or attachments, to facilitate nesting, stacking, or joining together
    • B65D21/0209Containers specially shaped, or provided with fittings or attachments, to facilitate nesting, stacking, or joining together stackable or joined together one-upon-the-other in the upright or upside-down position
    • B65D21/0217Containers with a closure presenting stacking elements
    • B65D21/0223Containers with a closure presenting stacking elements the closure and the bottom presenting local co-operating elements, e.g. projections and recesses
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945Proximity switches
    • H03K17/955Proximity switches using a capacitive detector
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/24Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96Touch switches
    • H03K2217/9607Capacitive touch switches
    • H03K2217/960705Safety of capacitive touch and proximity switches, e.g. increasing reliability, fail-safe
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96Touch switches
    • H03K2217/9607Capacitive touch switches
    • H03K2217/960735Capacitive touch switches characterised by circuit details
    • H03K2217/960745Capacitive differential; e.g. comparison with reference capacitance
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/96Touch switches
    • H03K2217/9607Capacitive touch switches
    • H03K2217/960755Constructional details of capacitive touch and proximity switches
    • H03K2217/960765Details of shielding arrangements

Abstract

Kapazitiver Sensor mit einer ersten Sendeelektrode (1) und einer zweiten Sendeelektrode (2), einem Codegenerator (3) und einem Modulator (4) zur Erzeugung von zwei rechteckförmigen Sendesignalen (E1, E2), sowie einer Auswerteeinheit (5) mit einem Synchrondemodulator (6), wobei die Sendeelektroden (1, 2) mit den rechteckförmigen Sendesignalen (E1, E2) angetrieben, und die Empfangssignale mit ein und demselben rechteckförmigen Signal (E1, E2, E3) synchron demoduliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendesignale (E1, E2) mit zwei unterschiedlichen, nicht orthogonalen Codes (C1, C2) moduliert gesendet werden, wobei die Sendesignale (E1, E2) den vollen Spannungshub aufweisen, und die Empfangssignale mit einem der Sendesignale (E1, E2) oder einem Signal (E3) demoduliert werden, wobei das Signal (E3) unterschiedlich mit den Sendesignalen (E1, E2) korreliert und die Empfindlichkeit des Elektrodensystems durch Variation der Codesignale (C1, C2, C3) einstellbar ist, wobei die Sendeelektroden (1, 2) mit einem Chopper (4) im Choppertakt (NF) umgeschaltet werden können.Capacitive sensor with a first transmission electrode (1) and a second transmission electrode (2), a code generator (3) and a modulator (4) for generating two square-wave transmission signals (E1, E2), as well as an evaluation unit (5) with a synchronous demodulator ( 6), the transmission electrodes (1, 2) being driven with the square-wave transmission signals (E1, E2), and the reception signals being demodulated synchronously with one and the same square-wave signal (E1, E2, E3), characterized in that the transmission signals (E1 , E2) are sent modulated with two different, non-orthogonal codes (C1, C2), the transmission signals (E1, E2) having the full voltage swing, and the reception signals with one of the transmission signals (E1, E2) or a signal (E3) be demodulated, the signal (E3) being differently correlated with the transmission signals (E1, E2) and the sensitivity of the electrode system can be set by varying the code signals (C1, C2, C3), the transmission elect clearing (1, 2) can be switched with a chopper (4) in the chopper cycle (NF).

Description

Die Erfindung betrifft berührungslos arbeitende kapazitive Sensoren und damit auch kapazitive Näherungsschalter und Bedienelemente gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to non-contact capacitive sensors and thus also to capacitive proximity switches and operating elements according to the preamble of claim 1.

Berührungslos arbeitende Näherungsschalter werden als elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie sind seit langem bekannt und werden u. a. auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.Non-contact proximity switches are used as electronic switching devices, especially in automation technology. They have long been known and are u. a. also manufactured and sold by the applicant.

Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Sensor zur Erfassung von vorzugsweise elektrischen, aber auch optischen oder sonstigen physikalischen Eigenschaften von beweglichen Objekten, wobei die Änderung der betreffenden physikalischen Größe als Maß für die Annäherung eines Objekts dient, und einer Steuereinheit, die bei Erreichen eines Schwellwertes ein vorzugsweise binäres Schaltsignal erzeugt.They essentially consist of a sensor for detecting preferably electrical, but also optical or other physical properties of moving objects, the change in the relevant physical variable being used as a measure for the approach of an object, and a control unit which, when a threshold value is reached, is used preferably binary switching signal generated.

Kapazitive Sensoren weisen einen Verschiebungsstromkreis mit mindestens einer Sensorelektrode auf, wobei in der Regel die Kapazität der Messelektroden zur Umgebung oder deren Impedanz ausgewertet wird.Capacitive sensors have a displacement circuit with at least one sensor electrode, the capacitance of the measuring electrodes to the environment or their impedance being evaluated as a rule.

Um äußere Faktoren, wie z. B. Luftfeuchtigkeit auszublenden, wird oft mit Referenz- oder Kompensationselektroden gemessen, und die Differenz der beiden Kapazitäten ausgewertet. Weiterhin ist bekannt, die räumliche Verteilung des elektrischen Messfeldes durch Abschirm- und/oder Hilfselektroden zu beeinflussen.To external factors such as B. to hide humidity, is often measured with reference or compensation electrodes, and the difference between the two capacities is evaluated. It is also known to influence the spatial distribution of the electrical measuring field by means of shielding and / or auxiliary electrodes.

Die DE 10 2014 216 246 A1 zeigt eine Schaltung zur Auswertung eins kapazitiven Sensors, wobei zum Abgleich des Systems ein Gegensignal mit der gleichen Frequenz wie das Ansteuersignal aber mit veränderlicher Phasenlage erzeugt, und dem Auswertesignal überlagert wird.The DE 10 2014 216 246 A1 shows a circuit for evaluating a capacitive sensor, whereby a counter signal with the same frequency as the control signal but with a variable phase position is generated and superimposed on the evaluation signal to adjust the system.

Die DE 697 19 321 T2 zeigt einen dreidimensionalen kapazitiven Positionssensor mit einer Anzahl von Sende-und Empfangselektroden, die mit mehreren Frequenzen erregt, deren Signale synchron demoduliert und von einer Schaltlogik ausgewertet werden.The DE 697 19 321 T2 shows a three-dimensional capacitive position sensor with a number of transmitting and receiving electrodes which are excited with several frequencies, the signals of which are demodulated synchronously and evaluated by a switching logic.

Die DE 198 13 013 A1 zeigt ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betreiben eines kapazitiven Näherungsschalters, bei dem ein frequenzgespreiztes Rausch- oder binäres Zufallssignal von einer Sendelektrode abgestrahlt und das von einer Messelektrode empfangene Signal mit einem Korrelator ausgewertet wird. So kann die spektrale Energiedichte ohne Änderung der Sendespannung verringert werden.The DE 198 13 013 A1 shows a method and a circuit arrangement for operating a capacitive proximity switch in which a frequency-spread noise or binary random signal is emitted by a transmitting electrode and the signal received by a measuring electrode is evaluated with a correlator. In this way, the spectral energy density can be reduced without changing the transmission voltage.

Die DE 103 23 030 A1 zeigt einen kapazitiven Sensor mit mehreren Sendeelektroden und mindestens einer Empfangselektrode, wobei die Sendelektroden nacheinander mit einem Rechtecksignal beaufschlagt werden, und der Verschiebungsstrom an der Empfangselektrode gemessen wird. Die Auswertung erfolgt mit einem getakteten Gleichrichter (Synchrongleichrichter).The DE 103 23 030 A1 shows a capacitive sensor with a plurality of transmitting electrodes and at least one receiving electrode, the transmitting electrodes being acted upon one after the other with a square-wave signal, and the displacement current at the receiving electrode being measured. The evaluation is carried out with a clocked rectifier (synchronous rectifier).

Die Sendeelektroden werden codiert bzw. zeitlich nacheinander angetrieben und mit einer selektiven Erkennungsschaltung voneinander unterschieden.The transmission electrodes are coded or driven one after the other and differentiated from one another by a selective detection circuit.

Die DE 10 2012 015 423 A1 und B4 offenbaren einen kapazitiven Sensor mit einer Sendeelektrode, einer Kompensationselektrode, ein oder zwei Empfangselektroden, sowie ein dafür geeignetes Auswerteverfahren. Hier wird vorgeschlagen, mit einer ersten Sendeelektrode eine festgelegte Codefolge (Codesignal) und mit einer zweiten Sendeelektrode, der Kompensationselektrode, eine inverse Codefolge auszusenden, wobei die Kompensationselektrode in bekannter Weise auf die Empfangselektrode einwirkt, und die Übertragungsstrecke der ersten Sendeelektrode von einem Messobjekt beeinflusst wird.The DE 10 2012 015 423 A1 and B4 disclose a capacitive sensor with a transmitting electrode, a compensation electrode, one or two receiving electrodes, and an evaluation method suitable for this. It is proposed here to transmit a specified code sequence (code signal) with a first transmission electrode and an inverse code sequence with a second transmission electrode, the compensation electrode, the compensation electrode acting in a known manner on the receiving electrode and the transmission path of the first transmitting electrode being influenced by a measurement object .

Eine Verarbeitungseinheit korreliert die Codes, bestimmt den wahrscheinlichsten Code und dessen Wahrscheinlichkeit. Die Sendeleistung der Kompensations-elektrode wird so geregelt, dass die Detektionswahrscheinlichkeit der inversen Codefolge Null ist, wobei das Sendesignal der Kompensationselektrode als Messwert für die Übertragungsstrecke dient.A processing unit correlates the codes, determines the most likely code and its probability. The transmission power of the compensation electrode is regulated in such a way that the detection probability of the inverse code sequence is zero, with the transmission signal from the compensation electrode serving as a measured value for the transmission path.

Als nachteilig wird die Regelung der Sendeleistung angesehen, weil die verwendeten Logikbausteine für feste Spannungen, z. B den TTL-Pegel von 5V ausgelegt sind. Ein weiterer Nachteil wird darin gesehen, dass zum Antreiben der Kompensationselektrode ein weiteres, d.h. zusätzliches Speisesignal erzeugt und demoduliert werden muss.The control of the transmission power is viewed as disadvantageous because the logic modules used for fixed voltages, e.g. B the TTL level of 5V are designed. A further disadvantage is seen in the fact that to drive the compensation electrode another, i. additional feed signal must be generated and demodulated.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kostengünstigen kapazitiven Sensor, sowie einem Auswerteverfahren anzugeben, der diese Nachteile nicht aufweist.The object of the invention is to provide a cost-effective capacitive sensor and an evaluation method that does not have these disadvantages.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved with the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, mit zwei unterschiedlichen Codes zu senden, die beiden Empfangssignale aber mit demselben Code zu demodulieren. Je mehr sich ein Sendecode vom Demodulationscode unterscheidet, umso geringer wird der Beitrag des jeweiligen Sendesignals am Empfangssignal. Damit ist eine Steuerung der Signalanteile der jeweiligen Sendeelektrode am Empfangssignal möglich, ohne diese zeitlich zu trennen oder mit Hilfe von zwei Empfängern mit unterschiedlichen Demodulationscodes auszuwerten. Unter Ausnutzung dieses Umstandes kann man die Regelung der Sendeleistung durch eine Codeänderung ersetzen.The essential idea of the invention is to transmit with two different codes, but to demodulate the two received signals with the same code. The more a transmission code differs from the demodulation code, the more the contribution of the respective transmitted signal to the received signal is lower. This enables the signal components of the respective transmitting electrode to be controlled in the receiving signal without separating them in time or evaluating them with the aid of two receivers with different demodulation codes. Taking advantage of this fact, the control of the transmission power can be replaced by a code change.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung entspricht der Demodulationscode einem der Sendecodes. In einer weiteren Ausgestaltung ist der zweite Sendecode so gewählt, dass die Spektralanteile die gleichen wie beim ersten Sendecode sind, lediglich die Anzahl der gesendeten Taktflanken pro Zeiteinheit (Sendeenergie) abnimmt. Dabei weisen die Sendesignale E1 und E2 die gleichen Spektralanteile, aber mit unterschiedlicher Verteilung auf.In an advantageous embodiment, the demodulation code corresponds to one of the transmission codes. In a further embodiment, the second transmission code is selected such that the spectral components are the same as in the first transmission code, only the number of clock edges transmitted per unit of time (transmission energy) decreases. The transmission signals E1 and E2 have the same spectral components, but with a different distribution.

Bei kapazitiven Sensoren wird die Sendelektrode oftmals mit einem Rechtecksignal gespeist. Dies ermöglicht im Gegensatz zu Sinussignalen eine einfache Erzeugung des Speisesignals mit digitalen Bauelementen und damit eine einfache Anwendung von den in der DE 10 2007 041 646 A1 beschriebenen digitalen Codierverfahren.With capacitive sensors, the transmitting electrode is often fed with a square-wave signal. In contrast to sinusoidal signals, this enables simple generation of the feed signal with digital components and thus simple application of the in the DE 10 2007 041 646 A1 described digital coding method.

Dabei wird die Elektrode mit jeder Taktflanke umgeladenen, wobei sich das Potential um den vollen Spannungshub, z.B. um den Betrag der Betriebsspannung ändert. Eine positive Taktflanke erzeugt einen positiven Stromimpuls und eine negative Taktflanke einen negativen Stromimpuls. Pro Stromimpuls wird die Ladungsmenge Q=C*U bewegt. Nach entsprechender Synchrongleichrichtung und Tiefpassfilterung ergibt sich ein konstanter Sensorstrom, der vom Spannungshub an der Sendeelektrode, der Anzahl der Taktflanken pro Zeiteinheit und natürlich von der Sensorkapazität abhängt. Im Gegensatz dazu ist die Steuerung der Sendeleistung durch Amplituden- bzw. Spannungskontrolle verhältnismäßig aufwändig. Die Steuerung über die Flankenzahl ist dagegen sehr einfach und nach wie vor mit digitalen Bausteinen realisierbar. Da die Sensorcharakteristik und insbesondere die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Systems vom verwendeten Spektrum abhängig sind, ist eine einfache Steuerung der Sendeleistung durch Anpassung der Speisefrequenz nur bedingt zielführend.The electrode is recharged with each clock edge, with the potential increasing by the full voltage swing, e.g. changes by the amount of the operating voltage. A positive clock edge generates a positive current pulse and a negative clock edge a negative current pulse. The amount of charge Q = C * U is moved per current pulse. After appropriate synchronous rectification and low-pass filtering, the result is a constant sensor current, which depends on the voltage swing at the transmitter electrode, the number of clock edges per unit of time and, of course, on the sensor capacitance. In contrast to this, the control of the transmission power through amplitude or voltage control is relatively complex. Control via the number of edges, on the other hand, is very simple and can still be implemented using digital modules. Since the sensor characteristics and especially the electromagnetic compatibility (EMC) of the system depend on the spectrum used, simple control of the transmission power by adjusting the feed frequency is only conditionally effective.

Bereits heute kommen Codierverfahren mit deterministischen Spreizsequenzen zum Einsatz. Dadurch kann die spektrale Verteilung der Signalenergie kontrolliert und die Sensor- und EMV-Eigenschaften des Systems optimal eingestellt werden.Coding methods with deterministic spreading sequences are already in use today. This allows the spectral distribution of the signal energy to be controlled and the sensor and EMC properties of the system to be optimally adjusted.

Bei der Steuerung der Sendeleistung einzelner Elektroden ist es deshalb vorteilhaft, das Spektrum, oder zumindest die verwendeten Anteile beizubehalten.When controlling the transmission power of individual electrodes, it is therefore advantageous to retain the spectrum, or at least the proportions used.

Durch die Reduktion der Anzahl der Sendeflanken kann ein Signal mit reduzierter Sendeenergie erzeugt werden, das trotzdem den vollen Spannungshub an der Sendeelektrode aufweist und keine Signalanteile enthält, die nicht demoduliert werden und potentielle Störsignalanteile darstellen würden.By reducing the number of transmission edges, a signal with reduced transmission energy can be generated, which nevertheless has the full voltage swing on the transmission electrode and does not contain any signal components that are not demodulated and would represent potential interference signal components.

Der Modulator 4 und vor allem auch die Sender können dadurch mit preiswerten Logikbausteinen wie den vier XOR-Gatter enthaltenden 74HCT86 bestückt werden.The modulator 4 and above all the transmitter can be equipped with inexpensive logic components such as the 74HCT86 containing four XOR gates.

Kapazitive Näherungsschalter werden typischerweise applikationsspezifisch eingestellt. Dabei wird der Schaltpunkt auf einen Referenzzustand abgeglichen, bei dem der Sensor am Ausgang schalten soll.Capacitive proximity switches are typically set application-specific. The switching point is adjusted to a reference state at which the sensor should switch at the output.

Da das sensorische Verhalten insbesondere im Zusammenhang mit einem binären Schaltausgang im Schaltpunkt relevant ist, kann das Verhältnis der Anteile der beiden Sendeelektroden bzw. die Sendeleistung der zweiten Sendeelektrode durch das zweite Codesignal ebenso auf den Referenzzustand abgeglichen werden.Since the sensor behavior is particularly relevant in connection with a binary switching output at the switching point, the ratio of the proportions of the two transmitting electrodes or the transmitting power of the second transmitting electrode can also be compared to the reference state by the second code signal.

In einer besonderen Ausgestaltung wird der Anteil der zweiten Sendeelektrode direkt von der Schaltpunkteinstellung abgeleitet. Dabei kann der Anteil der zweiten Sendeelektrode linear mit der Schaltpunkteinstellung zu- oder auch abnehmen.In a special embodiment, the portion of the second transmitting electrode is derived directly from the switching point setting. The proportion of the second transmitting electrode can increase or decrease linearly with the switching point setting.

Somit wird eine Möglichkeit eröffnet, verschiedene Elektroden so zu steuern, dass ein optimaler Erfassungsbereich für das Target entsteht.This opens up the possibility of controlling different electrodes in such a way that an optimal detection area for the target is created.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, die Empfindlichkeit des Elektrodensystems auf die unterschiedlichen Effekte für den Kunden einstellbar zu machen.Another advantage is that the sensitivity of the electrode system to the different effects can be adjusted for the customer.

Darüber hinaus kann die Auswirkung von Umgebungseinflüssen wie Temperaturschwankungen oder Elektrodenverschmutzung vermindert werden.In addition, the effects of environmental influences such as temperature fluctuations or electrode contamination can be reduced.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:

  • 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Messanordnung mit XOR-Gattern,
  • 2 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Messanordnung mit einem AND-Gatter,
  • 3 zeigt ein Impulsdiagramm mit den Codes und den Signalen an den Elektroden,
  • 4 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Messanordnung mit Chopper-Umtastung,
  • 5 zeigt eine erste Elektrodenanordnung zur Durchführung des Messverfahrens,
  • 6 zeigt eine zweite Elektrodenanordnung zur Durchführung des Messverfahrens.
They show schematically:
  • 1 shows a first measuring arrangement according to the invention with XOR gates,
  • 2 shows a second measuring arrangement according to the invention with an AND gate,
  • 3 shows a pulse diagram with the codes and the signals at the electrodes,
  • 4th shows a third measuring arrangement according to the invention with chopper shift keying,
  • 5 shows a first electrode arrangement for carrying out the measuring method,
  • 6th shows a second electrode arrangement for carrying out the measuring method.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Messanordnung mit einer ersten Sendeelektrode (Hauptelektrode) 1 und einer zweiten Sendeelektrode (Zusatzelektrode) 2, die beide von einem Modulator 4 angetrieben werden, der von einem Codegenerator 3 ein Taktsignal CLK und zwei Codesignale C1 und C2 erhält. 1 shows a measuring arrangement according to the invention with a first transmitting electrode (main electrode) 1 and a second transmitter electrode (additional electrode) 2 , both of a modulator 4th driven by a code generator 3 a clock signal CLK and two code signals C1 and C2 receives.

Der Modulator 4 enthält vier miteinander verknüpfte Exklusiv-ODER-Gatter (XOR), oder auch Antivalenzglieder, wobei XOR bedeutet, dass an genau einem Eingang ein High-Pegel anliegen muss, damit der Ausgang ebenfalls den High-Pegel führt. Anders ausgedrückt, wird das Taktsignal beim High-Pegel des Codesignals invertiert und beim Low-Pegel des Codesignals nichtinvertiert ausgegeben. Bei flanken synchronen Signalen wird also mit jeder Codeflanke eine Sendeflanke unterdrückt. Signaltheoretisch betrachtet entspricht dies einer Multiplikation oder Modulation des Sendetakts mit dem Codesignal.The modulator 4th contains four exclusive OR gates (XOR) linked to one another, or also exclusive OR elements, where XOR means that a high level must be present at exactly one input so that the output also has the high level. In other words, the clock signal is inverted when the code signal is high and output is not inverted when the code signal is low. In the case of edge-synchronous signals, a send edge is suppressed with each code edge. From a signal theory perspective, this corresponds to a multiplication or modulation of the send clock with the code signal.

Da der Modulator 4 eine reine Logikfunktion darstellt, können die Signale auch ganz oder teilweise in einem Mikrokontroller oder einem programmierbaren Logikbaustein erzeugt werden, wobei der Modulator 4 zur Entlastung des Mikrocontrollers und zur Verbesserung der Signalführung dient. Der Modulator 4 kann also diskret, oder auch vollständig oder nur teilweise als digitaler Logikbaustein, beispielsweise als Complex Programmable Logic Device (CLPD) ausgeführt sein.Since the modulator 4th represents a pure logic function, the signals can also be wholly or partially generated in a microcontroller or a programmable logic module, the modulator 4th to relieve the microcontroller and to improve the signal routing. The modulator 4th can therefore be implemented discretely, or completely or only partially as a digital logic module, for example as a complex programmable logic device (CLPD).

Wie in der 3 gezeigt wird, wandelt der Modulator 4 die Codes C1 und C2 in zwei taktsynchrone rechteckförmige Sendesignale E1 und E2 um. Diese erzeugen einen hochfrequenten Verschiebungsstrom mit ihrer Umgebung, die hier als Funktionserde wirkt. Von der Funktionserde fließt der Strom dann über einen Koppelkondensator und einen Synchrondemodulator 6 in einen Strom-Spannungs- Wandler 7, der mit dem Codegenerator 3 über die Gerätemasse einem Stromkreis bildet. Anschließend wird das Signal in bekannter Weise gefiltert und schließlich digitalisiert.Like in the 3 is shown, the modulator converts 4th the codes C1 and C2 into two clock-synchronized square-wave transmit signals E1 and E2 around. These generate a high-frequency displacement current with their environment, which here acts as functional earth. The current then flows from the functional earth via a coupling capacitor and a synchronous demodulator 6th into a current-voltage converter 7th , the one with the code generator 3 forms a circuit via the device ground. The signal is then filtered in a known manner and finally digitized.

Die Sendeleistung der beiden Elektroden 1 und 2 wird erfindungsgemäß mit Hilfe der Codes 1 und 2 geregelt, indem mit zwei ähnlichen Codes gesendet wird, aber beide Empfangssignale mit demselben Signal, vorzugsweise mit dem der Hauptelektrode 1 demoduliert werden. The transmission power of the two electrodes 1 and 2 is according to the invention with the help of the codes 1 and 2 regulated by sending with two similar codes, but both receiving signals with the same signal, preferably with that of the main electrode 1 be demodulated.

Alternativ kann, wie in der 4 gezeigt, mit einem dritten Code C3, oder mit einem auf C3 basierende Demodulationssignal E3 demoduliert werden.Alternatively, as in the 4th shown with a third code C3 , or with one C3 based demodulation signal E3 be demodulated.

Auf diese Weise wird die schaltungstechnisch aufwändige Amplitudenregelung durch die unterschiedlichen Korrelationskoeffizienten, also durch Software ersetzt und auf Grund der Eigenschaften der Codes ein zweiter Demodulator vermieden.In this way, the amplitude regulation, which is complex in terms of circuitry, is replaced by the different correlation coefficients, that is, by software, and a second demodulator is avoided due to the properties of the codes.

Zusätzlich zu den Codesignalen erfolgt eine weitere Modulation des Sendesignals mit einem niederfrequenten Chopper-Signal (NF) von beispielsweise 500 Hz. Durch diese verhältnismäßig kleine Frequenz ist die Auswirkung auf die spektrale Verteilung in der Praxis unerheblich. Allerdings werden die von Chopper-Verstärkern bekannten Vorteile genutzt. Insbesondere kann das Empfangssignal in den zwei NF-Phasen unabhängig voneinander betrachtet werden, wobei durch Differenzbildung ein Gleichanteil oder Offset in bekannter Weise ausgelöscht wird. Das ist vorteilhaft, da sich parasitär abgestrahlte Signalanteile nur von der Leitung zwischen Modulator und Elektrode auf die Signalauswertung auswirken können. Deshalb sind die XOR-Gatter in einer vorteilhaften Ausgestaltung nahe an den Sendeelektroden 1 und 2 zu platzieren.In addition to the code signals, the transmission signal is further modulated with a low-frequency chopper signal ( NF ) of 500 Hz, for example. Due to this relatively small frequency, the effect on the spectral distribution is insignificant in practice. However, the advantages known from chopper amplifiers are used. In particular, the received signal in the two LF phases can be viewed independently of one another, with a constant component or offset being canceled out in a known manner by forming the difference. This is advantageous because parasitic signal components can only affect the signal evaluation from the line between the modulator and the electrode. Therefore, in an advantageous embodiment, the XOR gates are close to the transmission electrodes 1 and 2 to place.

Neben den oben genannten Baugruppen enthält die Auswerteeinheit 5 ein Tiefpass- Filter 8 zur Erzeugung eines analogen Ausgangssignals, und einen Analog-Digital-Wandler 9 zur Erzeugung eines digital verarbeitbaren Ausgangssignals, wobei dem Fachmann geläufige Baugruppen zur besseren Übersicht weggelassen wurden.In addition to the assemblies mentioned above, the evaluation unit contains 5 a low pass filter 8th for generating an analog output signal, and an analog-digital converter 9 for generating a digitally processable output signal, with assemblies familiar to those skilled in the art having been omitted for a better overview.

Es sei noch angemerkt, dass die Auswerteeinheit 5 an Stelle des mit Funktionserde verbundenen Koppelkondensators auch eine Empfangselektrode aufweisen kann.It should also be noted that the evaluation unit 5 can also have a receiving electrode instead of the coupling capacitor connected to functional earth.

2 zeigt eine ähnliche Messanordnung wie 1. Es wurde lediglich ein XOR-Gatter durch ein UND (AND)-Gatter ersetzt, was die Schaltung vereinfacht, und außerdem eine Maskierung des Sendesignals E2 der zweiten Sendeelektrode 2 ermöglicht, indem ein weiteres Signal an den zweiten Eingang des UND Gatters gelegt wird. 2 shows a similar measuring arrangement as 1 . Only an XOR gate has been replaced by an AND (AND) gate, which simplifies the circuit, and also a masking of the transmission signal E2 of the second transmitting electrode 2 made possible by applying another signal to the second input of the AND gate.

3 zeigt das Impulsdiagramm einer erfindungsgemäßen Messanordnung. In der obersten Reihe ist das rechteckförmige Taktsignal CLK dargestellt. Darunter sieht man den ersten Code C1 und in der dritten Reihe den Code C2. Die beiden Codes sind unterschiedlich, aber nicht orthogonal. Die beiden unteren Reihen zeigen die Sendesignale E1 und E2 an den Elektroden 1 und 2. Die Signale entstehen durch eine XOR-Verknüpfung des Taktsignals CLK mit einem der Codes C1 oder C2, was mathematisch einer Multiplikation oder signaltheoretisch einer Modulation entspricht. 3 shows the pulse diagram of a measuring arrangement according to the invention. In the top row is the square-wave clock signal CLK shown. Below you can see the first code C1 and in the third row the code C2 . The two codes are different, but not orthogonal. The two lower rows show the transmission signals E1 and E2 on the electrodes 1 and 2 . The signals are created by XORing the clock signal CLK with one of the codes C1 or C2 which corresponds mathematically to a multiplication or in signal theory to a modulation.

4 zeigt eine Messanordnung mit einem Chopper 4, wobei die Sendeelektroden 1 und 2 im Choppertakt (NF) umgeschaltet werden. Die Demodulation erfolgt mit einem auf einem dritten Codesignal C3 basierenden Demodulationssignal E3, das unterschiedlich mit den beiden Sendesignalen E1 und E2 korreliert, so dass die Empfindlichkeit auch hier durch Variation der Codesignale einstellbar ist. 4th shows a measuring arrangement with a chopper 4th , with the transmitting electrodes 1 and 2 in chopper cycle ( NF ) can be switched. The demodulation takes place with a third code signal C3 based demodulation signal E3 that is different with the two transmit signals E1 and E2 correlated, so that the sensitivity can also be adjusted here by varying the code signals.

5 zeigt eine auf einer doppelseitigen Leiterplatte angeordnete kreisförmige Hauptelektrode 1 mit einer ringförmigen Zusatzelektrode 2 und einer Rückelektrode R auf der Rückseite. So wird eine rotationssymmetrische, gegen rückseitige Störer weitgehend unempfindliche Richtchatakteristik erreicht 5 shows a circular main electrode arranged on a double-sided printed circuit board 1 with a ring-shaped additional electrode 2 and a back electrode R. on the back side. In this way, a directional characteristic that is rotationally symmetrical and largely insensitive to rear interferers is achieved

6 zeigt eine Elektrodenanordnung mit ortsauflösenden Eigenschaften, wobei die Hauptelektrode keilförmig in eine rechteckige Zusatzelektrode 2 hineinragt. 6th shows an electrode arrangement with spatially resolving properties, the main electrode being wedge-shaped into a rectangular additional electrode 2 protrudes.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Erste Sendeelektrode (Hauptelektrode)First transmitter electrode (main electrode)
22
Zweite Sendeelektrode (Kompensationselektrode, Zusatzelektrode)Second transmitter electrode (compensation electrode, additional electrode)
33
CodegeneratorCode generator
44th
Modulator oder auch ChopperModulator or chopper
55
AuswerteeinheitEvaluation unit
66th
SynchrondemodulatorSynchronous demodulator
77th
Strom-Spannungs-WandlerCurrent-to-voltage converter
88th
Filterfilter
99
Analog-Digital-WandlerAnalog-to-digital converter
C1C1
Erstes Codesignal (erster Code)First code signal (first code)
C2C2
Zweites Codesignal (zweiter Code) für die KompensationselektrodeSecond code signal (second code) for the compensation electrode
C3C3
Drittes Codesignal (Demodulationscode)Third code signal (demodulation code)
CLKCLK
TaktsignalClock signal
E1E1
Sendesignal der ersten Elektrode (erstes Rechtecksignal)Transmission signal of the first electrode (first square wave signal)
E2E2
Sendesignal der zweiten Elektrode (zweites Rechtecksignal)Transmission signal of the second electrode (second square wave signal)
E3E3
Drittes Signal, Demodulationssignal (drittes Rechtecksignal)Third signal, demodulation signal (third square wave signal)
NFNF
Niederfrequentes Chopper-Signal, ChoppertaktLow-frequency chopper signal, chopper clock
RR.
Rückseitige ElektrodeBack electrode

Claims (3)

Kapazitiver Sensor mit einer ersten Sendeelektrode (1) und einer zweiten Sendeelektrode (2), einem Codegenerator (3) und einem Modulator (4) zur Erzeugung von zwei rechteckförmigen Sendesignalen (E1, E2), sowie einer Auswerteeinheit (5) mit einem Synchrondemodulator (6), wobei die Sendeelektroden (1, 2) mit den rechteckförmigen Sendesignalen (E1, E2) angetrieben, und die Empfangssignale mit ein und demselben rechteckförmigen Signal (E1, E2, E3) synchron demoduliert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendesignale (E1, E2) mit zwei unterschiedlichen, nicht orthogonalen Codes (C1, C2) moduliert gesendet werden, wobei die Sendesignale (E1, E2) den vollen Spannungshub aufweisen, und die Empfangssignale mit einem der Sendesignale (E1, E2) oder einem Signal (E3) demoduliert werden, wobei das Signal (E3) unterschiedlich mit den Sendesignalen (E1, E2) korreliert und die Empfindlichkeit des Elektrodensystems durch Variation der Codesignale (C1, C2, C3) einstellbar ist, wobei die Sendeelektroden (1, 2) mit einem Chopper (4) im Choppertakt (NF) umgeschaltet werden können.Capacitive sensor with a first transmission electrode (1) and a second transmission electrode (2), a code generator (3) and a modulator (4) for generating two square-wave transmission signals (E1, E2), as well as an evaluation unit (5) with a synchronous demodulator ( 6), the transmission electrodes (1, 2) being driven with the square-wave transmission signals (E1, E2), and the reception signals being demodulated synchronously with one and the same square-wave signal (E1, E2, E3), characterized in that the transmission signals (E1 , E2) are sent modulated with two different, non-orthogonal codes (C1, C2), the transmission signals (E1, E2) having the full voltage swing, and the reception signals with one of the transmission signals (E1, E2) or a signal (E3) be demodulated, the signal (E3) being differently correlated with the transmission signals (E1, E2) and the sensitivity of the electrode system can be adjusted by varying the code signals (C1, C2, C3), the transmission electronics trodes (1, 2) can be switched with a chopper (4) in the chopper cycle (NF). Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rechteckförmigen Sendesignale (E1, E2) die gleichen Spektralanteile aufweisen, wobei das Verhältnis der Sendeleistung an den Sendeelektroden (1, 2) durch das Verhältnis der Sendeflanken der Sendesignale (E1, E2) eingestellt wird, wobei die Anzahl der gesendeten Taktflanken pro Zeiteinheit unterschiedlich ist.Capacitive sensor after Claim 1 , characterized in that the rectangular transmission signals (E1, E2) have the same spectral components, the ratio of the transmission power at the transmission electrodes (1, 2) being set by the ratio of the transmission edges of the transmission signals (E1, E2), the number of sent clock edges per time unit is different. Kapazitiver Sensor nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zusätzlich zu den einem Codesignalen (C1, C2, C3) eine weitere Modulation der Sendesignale (E1, E2) mit niederfrequenten Chopper-Signal (NF) erfolgt, wobei durch Differenzbildung ein Gleichanteil oder Offset ausgelöscht wird.Capacitive sensor according to one of the preceding claims, characterized in that, in addition to the one code signals (C1, C2, C3), the transmission signals (E1, E2) are further modulated with a low-frequency chopper signal (NF), with a constant component or offset being formed by forming the difference is extinguished.
DE102015221178.9A 2015-10-29 2015-10-29 Capacitive sensor Active DE102015221178B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015221178.9A DE102015221178B4 (en) 2015-10-29 2015-10-29 Capacitive sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015221178.9A DE102015221178B4 (en) 2015-10-29 2015-10-29 Capacitive sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102015221178A1 DE102015221178A1 (en) 2017-05-04
DE102015221178B4 true DE102015221178B4 (en) 2020-12-31

Family

ID=69144389

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102015221178.9A Active DE102015221178B4 (en) 2015-10-29 2015-10-29 Capacitive sensor

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102015221178B4 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022105486A1 (en) 2022-03-09 2023-09-14 Zf Automotive Germany Gmbh HAND RECOGNITION DEVICE FOR A STEERING WHEEL DEVICE AND STEERING WHEEL ARRANGEMENT WITH THE HAND RECOGNITION DEVICE

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19813013A1 (en) * 1998-03-25 1999-09-30 Ifm Electronic Gmbh Method for operating a capacitive proximity switch and circuit arrangement of a capacitive proximity switch
DE69719321T2 (en) * 1996-05-01 2003-10-16 Massachusetts Inst Technology SLIDING CURRENT SENSOR AND METHOD FOR DETECTING POSITION, ALIGNMENT AND MASS DISTRIBUTION IN THREE DIMENSIONS
DE10323030A1 (en) * 2003-05-20 2004-12-09 Stefan Reich Capacitive sensor for multiple applications measures values that influence the capacitance of a measurement space by measuring the capacitive coupling between two electrodes and relating it to a physical value
DE102007041646A1 (en) * 2007-06-03 2008-12-11 I F M Electronic Gmbh Active sensor e.g. proximity sensor, operating method, involves generating alternative transmitting signal, where shortest spectral distance of interference signal to nearest spectral line of transmitting signal spectrum is greater
DE102012015423A1 (en) * 2012-02-23 2013-08-29 Elmos Semiconductor Ag Method and sensor system for capacitive measurement of the properties of a transmission path of a measuring system between a transmitter electrode and a receiver electrode
DE102014216246A1 (en) * 2014-08-15 2016-02-18 Mayser Gmbh & Co. Kg Circuit and method for evaluating measuring signals and sensor system for the capacitive detection of obstacles

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69719321T2 (en) * 1996-05-01 2003-10-16 Massachusetts Inst Technology SLIDING CURRENT SENSOR AND METHOD FOR DETECTING POSITION, ALIGNMENT AND MASS DISTRIBUTION IN THREE DIMENSIONS
DE19813013A1 (en) * 1998-03-25 1999-09-30 Ifm Electronic Gmbh Method for operating a capacitive proximity switch and circuit arrangement of a capacitive proximity switch
DE10323030A1 (en) * 2003-05-20 2004-12-09 Stefan Reich Capacitive sensor for multiple applications measures values that influence the capacitance of a measurement space by measuring the capacitive coupling between two electrodes and relating it to a physical value
DE102007041646A1 (en) * 2007-06-03 2008-12-11 I F M Electronic Gmbh Active sensor e.g. proximity sensor, operating method, involves generating alternative transmitting signal, where shortest spectral distance of interference signal to nearest spectral line of transmitting signal spectrum is greater
DE102012015423A1 (en) * 2012-02-23 2013-08-29 Elmos Semiconductor Ag Method and sensor system for capacitive measurement of the properties of a transmission path of a measuring system between a transmitter electrode and a receiver electrode
DE102012015423B4 (en) * 2012-02-23 2015-02-26 Elmos Semiconductor Aktiengesellschaft Method and sensor system for capacitive measurement of the properties of a transmission path of a measuring system between a transmitter electrode and a receiver electrode
DE102014216246A1 (en) * 2014-08-15 2016-02-18 Mayser Gmbh & Co. Kg Circuit and method for evaluating measuring signals and sensor system for the capacitive detection of obstacles

Also Published As

Publication number Publication date
DE102015221178A1 (en) 2017-05-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102012025712B3 (en) Method and sensor system for capacitive measurement of the properties of a transmission path of a measuring system between a transmitter electrode and a receiver electrode
EP1910773A1 (en) Method and device for distance measurement by means of capacitive or inductive sensors
EP2924463B1 (en) Sensor system for detection of characteristics of a transmission link
WO2013156557A1 (en) Sensor system and method for measuring the transmission properties of a transmission path of a measuring system between a transmitter and a receiver
DE112012002881B4 (en) Impedance measurement system
EP3746747B1 (en) Capacitive measuring system
DE102010007620A1 (en) Proximity sensor
EP3166228A1 (en) Sensor module, sensor system and method for capacitive and spatially resolved detection of approaching and contact, use of the sensor module
EP2364526B1 (en) Sensor device for generating signals that are indicative of the position or change of position of limbs
DE102012019329A1 (en) Method and sensor unit for locating and / or detecting metallic or metal-containing objects and materials
DE102009052537B4 (en) Sensor electronics for a plurality of sensor elements and method for determining a position of an object on the sensor elements
DE102015221178B4 (en) Capacitive sensor
DE102015011617B4 (en) Procedure for detecting asymmetrical error states and for distinguishing between symmetrical error states for ISO26262-compliant operation of a symmetrical inductive rotation angle sensor
DE102015006174B3 (en) Device and method for measuring an optical, capacitive, inductive transmission path
DE102007041646B4 (en) Method for operating an active sensor and active sensor
DE102009057931A1 (en) Electrode arrangement system for electrical handheld device has transmission electrode and compensation electrode, which generate current in reception electrode representing approach of hand to handheld device
DE102016214001A1 (en) Capacitive sensor
EP2911299B1 (en) Method and circuit for evaluating a physical measurement value measured by a sensor
DE102011002446A1 (en) Sensor device and method for capacitive proximity detection
EP0849601B1 (en) Device and procedure for determining the sign of a phase shift between two electrical signals
DE102011087493B4 (en) Capacitive encoder
DE102004013175A1 (en) Circuit arrangement for load regulation in the receive path of a transponder
DE102008004025B4 (en) Optical sensor
DE102010024658A1 (en) Touch-sensitive surface
DE102010001076A1 (en) Inductive proximity sensor and proximity measurement method

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R138 Derivation of utility model

Ref document number: 202015009155

Country of ref document: DE

R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final