DE19521129C1 - Kapazitiver Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Sensor ist aus der DE-PS 42 27 052 bekannt. Durch eine Feldbe­ einflussung des kapazitiven Sensors wird ein Oszillator in der Frequenz modu­ liert. Dieses Signal wird einer Signalverarbeitungsstufe zugeführt, die im wesent­ lichen einen Demodulator mit einer nachführbaren Trägerfrequenz, einen span­ nungsgeregelten Verstärker, einen spannungsgesteuerten Filter, eine Signalspitz­ enwertgleichrichtung, eine Abtast- und Halteschaltung und einen spannungs­ gesteuerten Trigger aufweist.

In einem Lernvorgang werden bestimmte Etikettentypen eingelernt. Hierzu wird die Abtast- Halteschaltung auf Abtasten geschaltet und die Trägerfrequenz des Demodulators auf einen Referenzwert nachgeführt. Ferner wird die gleichgerich­ tete und gefilterte Amplitude des Signals durch die Verstärkerregelung auf einen Zielspitzenwert konditioniert.

Mit diesem adaptiven Sensorsystem können Etiketten unterschiedlicher Geome­ trie und Materialbeschaffenheit erkannt werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß vor Betrieb des Sensors die unterschiedlichen Etikettentypen eingelernt wer­ den müssen, was zum einen zeitaufwendig ist und zum anderen einen beträcht­ lichen Schaltungsaufwand erfordert.

Die DE-GM 70 07 447 beschreibt eine mechanische Sensoranordnung zur Ab­ tastung von Etikettenbändern, welches aus einem Trägermaterial mit darauf in gegenseitigem Abstand angeordneten Etiketten besteht. Die mechanische Sensor­ anordnung weist zwei in Bewegungsrichtung des Etikettenbandes hintereinander angeordnete Fühler auf, welche auf dem Etikettenband anliegen. Je nachdem ob ein Fühler auf dem Trägermaterial oder auf einer Etikette aufliegt ist der Fühler abgesenkt oder angehoben. Die unterschiedlichen Signalzustände der Fühler werden zur Steuerung des Vorschubes des Etikettenbandes verwendet. Dabei ist der Abstand der Fühler kleiner als die Abmessung einer Etikette und kleiner als der Abstand zwischen zwei Etiketten. Dadurch kann mit den Fühlern die Kante einer Etikette erfaßt werden.

In der US-PS 2 726 003 ist eine Etikettiervorrichtung mit einer mechanischen Sensoranordnung beschrieben. Die Sensoranordnung weist zwei Arme auf, welche jeweils an einen elektrischen Schalter angeschlossen sind. Die zu etikettierenden Artikel werden an der Sensoranordnung so vorbeibewegt, daß die Arme nacheinander durch die Artikel angehoben werden, wodurch die Schalter betätigt werden. In Abhängigkeit der Signale der Schalter wird eine Mechanik aktiviert, mittels derer die Etiketten auf die Artikel aufgebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für die Etikettenerkennung ein­ fach und universell einsetzbaren kapazitiven Sensor zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Ansprüchen 2-11 beschrieben.

Erfindungsgemäß weist der kapazitive Sensor zwei Kondensatorelemente auf. Dabei sind die Kondensatorelemente nebeneinanderliegend so angeordnet, daß deren Abstand kleiner als die Abmessung der Etiketten in Abtastrichtung ist, welche auf einem Trägermaterial aufgebracht sind.

Jedem Kondensatorelement ist ein Zeitglied und ein Tiefpaß nachgeschaltet. Die beiden Zeitglieder werden über einen Oszillator zeitlich versetzt aktiviert, so daß die durch das Trägermaterial mit den Etiketten im einen Kondensatorele­ mente erzeugten Signale nicht durch das Signal des anderen Kondensatorele­ ments beeinflußt werden.

Die als Pulsfolgen an den Ausgängen der Zeitglieder anstehenden Signale wer­ den durch die Tiefpässe in Gleichspannungssignale gewandelt und einem Dif­ ferenzverstärker zugeführt. Das am Ausgang des Differenzverstärkers anstehen­ de Signal liefert die Differenz der Signale in den beiden Kondensatorelementen.

Mittels diesen Differenzsignalen können die Kanten der Etiketten unabhängig von deren Materialbeschaffenheit sicher erkannt werden. Wird mit beiden Kon­ densatorelementen nur das Trägermaterial oder eine Etikette erfaßt, so ergibt sich am Ausgang des Differenzverstärkers die Signaldifferenz null. Wird jedoch mit einem Kondensatorelement eine auf dem Trägermaterial aufgebrachte Eti­ kette erfaßt und mit dem anderen Kondensatorelement alleine das Trägerma­ terial, so ergibt sich eine von null verschiedene Signaldifferenz.

Der erfindungsgemaße Sensor erfordert nur einen geringen Schaltungsaufwand. Zudem kann er universell für die Erkennung von Etiketten aller Art eingesetzt werden, ohne daß ein zeitaufwendiger Einlernvorgang vorgesehen werden muß.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Sensor

Fig. 2 Querschnitt durch den Sensor nach Fig. 1

Fig. 3 Auf einer Unterlage angeordnete Elektroden der Kondensatorele­ mente

Fig. 4 Auswerteschaltung des Sensors

Fig. 5 Impulsdiagramme der am Ausgang des Oszillators und der Zeit­ glieder anstehenden Signale

Fig. 6 Schematischer Signalverlauf am Ausgang des Differenzverstärkers.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den Aufbau eines kapazitiven Sensors 1 zum be­ rührungsfreien Abtasten von Etiketten 2, die auf einem Trägermaterial 3 mit ge­ genseitigem Abstand aufgebracht sind. Das Trägermaterial 3 ist vorzugsweise von einer dünnen Kunststoffolie gebildet, auf die die Etiketten 2 aufgeklebt sind. Die Kunststoffolie und die Etiketten 2 können farblos oder farbig sein. Die Etiketten 2 weisen üblicherweise eine Bedruckung auf. Im vorliegenden Aus­ führungsbeispiel weist die Kunststoffolie eine vorgegebene Breite auf, die ty­ pischerweise einige Zentimeter beträgt. Die Länge der Kunststoffolie kann mehrere Meter betragen. Auf der Kunststoffolie sind im wesentlichen recht­ eckige Etiketten 2 mit vorgegebener Länge und Breite aufgeklebt.

Der Sensor 1 weist zwei in einem Gehäuse 4 integrierte Kondensatorelemente 5 auf. Die Kondensatorelemente 5 sind nebeneinander liegend so angeordnet, daß der Abstand zwischen den Kondensatorelementen 5 kleiner ist als die Länge der zu detektierenden Etiketten 2.

Das Gehäuse 4 ist im wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist einen in Längsrichtung des Gehäuses 4, an einer der Stirnseiten ausmündenden Luftspalt 6 auf, der sich über die gesamte Breite des Gehäuses 4 erstreckt.

Die Kondensatorelemente 5 sind jeweils beidseits des Luftspalts 6 angeordnet. Zur Oberseite wird der Luftspalt 6 von einer im wesentlichen eben ausgebilde­ ten Innenfläche des Gehäuses 4 begrenzt. Die Innenfläche weist eine Ausneh­ mung auf, in die eine Kunststoffscheibe 7 eingesetzt und dort fixiert ist. Die Kunststoffscheibe 7 bildet die Unterlage von zwei parallel verlaufenden, in Ab­ stand zueinander angeordneten Elektroden 8, 8′. Jede Elektrode 8, 8′ bildet den oberen Teil eines Kondensatorelements 5. Der Abstand der Elektroden 8, 8′ de­ finiert den Abstand der beiden Kondensatorelemente 5. Die Elektroden 8, 8′ be­ stehen vorzugsweise aus Kupfer.

Die Unterseite des Luftspalts 6 wird von einer metallischen Kondensatorplatte 9 begrenzt. Die Kondensatorplatte 9 weist einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt auf und fällt zu den Enden hin ab. In der Mitte der Kondensa­ torplatte 9 ist ein ebenes Plateau, dessen Breite im wesentlichen der Gesamt­ breite der Elektroden 8, 8′ entspricht. Die Breite des Luftspaltes 6 ist dem­ zufolge an den äußeren Rändern am größten und nimmt zur Mitte hin ab.

Dies erleichtert das Einführen des Trägermaterials 3 in den Luftspalt 6. Das Trägermaterial kann auf den abgeschrägten Teil der Kondensatorplatte 9 eines Kondensatorelements 5 aufgelegt werden und anschließend durch die Luftspalte 6 der Kondensatorelemente 5 geschoben werden.

Zweckmäßigerweise wird das Trägermaterial 3 mit einer vorgegebenen Ge­ schwindigkeit durch den Luftspalt 6 geführt. Alternativ ist auch eine stationäre Messung bei ruhendem Trägermaterial 3 möglich.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel (Fig. 1, 2) liegt die Kunststoffolie auf der Kondensatorplatte 9 auf. Die Längsachse der Kunststoffolie ist senkrecht zur Längsachse der Elektroden 8, 8′ angeordnet. Der Abstand der Elektroden 8, 8′ ist kleiner als die Länge der Etiketten 2 und zweckmäßigerweise auch kleiner als der Abstand zwischen zwei Etiketten 2, so daß drei verschiedene Anord­ nungen der Etiketten relativ zu den Kondensatorelementen 5 auftreten können. Zum einen können zwei benachbarte Etiketten 2 außerhalb der Kondensator­ elemente 5 so angeordnet sein, daß beide Kondensatorelemente 5 allein das Trägermaterial 3 erfassen. Zum anderen kann eine Etikette 2 unter den beiden Elektroden 8, 8′ liegen, so daß beide Kondensatorelemente 5 dieselbe Etikette 2 erfassen. Schließlich kann die Etikette 2 so angeordnet sein, daß sie von einem Kondensatorelement 5 erfaßt wird, während das andere Kondensator­ element 5 auf das Trägermaterial 3 zwischen zwei Etiketten 2 gerichtet ist.

Diese verschiedenen Anordnungen können in der in Fig. 4 dargestellten Aus­ werteschaltung unterschieden werden, wodurch eine Detektion der Kanten der Etiketten 2 ermöglicht wird.

Die Auswerteschaltung kann im Gehäuse 4 des Sensors 1 integriert sein oder außerhalb des Gehäuses 4 angeordnet sein.

Jedes Kondensatorelement 5 ist über eine Zuleitung auf einen Widerstand 10, 10′ und einen Eingang eines Zeitgliedes 11, 11′ geführt. Das Zeitglied 11, 11′ ist von einem Monoflop gebildet. Der Ausgang des Monoflops ist auf einen Tief­ paß 12, 12′ geführt. Die Monoflops und die Tiefpässe 12, 12′ sind vorzugsweise identisch ausgebildet, was die nachfolgende Signalauswertung beträchtlich ver­ einfacht. Die Ausgänge der Tiefpässe 12, 12′ sind auf einen Differenzverstärker 13 geführt, wobei in einem Zweig der Auswerteschaltung dem Eingang des Dif­ ferenzverstärkers 13 ein Stellglied 14 vorgeschaltet ist.

Schließlich ist ein als Taktgeber dienender Oszillator 15 vorgesehen. Die vom Oszillator 15 erzeugten Pulse werden als Taktimpulse dem dynamischen Ein­ gang des ersten Monoflops und dem negierten dynamischen Eingang des zwei­ ten Monoflops zugeführt.

Mit dieser Auswerteschaltung können die von den beiden Kondensatorelementen 5 stammenden Signale zeitlich getrennt ausgewertet werden. Dies ist in Fig. 5 schematisch dargestellt.

Der Oszillator 15 erzeugt Rechteckpulse mit einem Puls-Pausenverhältnis von 1 : 1. Die Taktfrequenz liegt typischerweise in MHz-Bereich und beträgt im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel 2 MHz. Diese Pulse werden dem ersten Mono­ flop direkt zugeführt, so daß das Monoflop von den steigenden Flanken der Taktimpulse getriggert wird. Entsprechend wird das zweite Monoflop von den fallenden Flanken der Taktpulse getriggert, da diese auf den negierten Eingang des zweiten Monoflops geführt werden.

Die Pulslängen der an den Ausgängen der Monoflops erzeugten Rechteckpulse F₁, F₂ sind abhängig von den Kapazitäten C₁, C₂ der Kondensatorelemente 5 und den jeweils nachgeschalteten Widerständen 10, 10′. Das Einbringen des dieelek­ trischen Trägermaterials 3 mit den ebenfalls dieelektrischen Etiketten 2 ändert die Kapazitäten C₁, C₂, wodurch sich die Pulslängen an den Ausgängen der Monoflops ändern. In jedem Fall sind die Pulslängen so gewählt, daß sie etwa die Hälfte der Pulslängen der Taktimpulse betragen. Die durch das Trägermate­ rial 3 und die Etiketten 2 bewirkten Pulslängenänderungen sind klein im Ver­ gleich zur Länge der einzelnen Pulse.

Auf diese Weise ist gewährleistet, daß in den beiden Zweigen der Auswerte­ schaltung die Pulse F₁, F₂ niemals gleichzeitig anstehen. Dies ist notwendig, um durch Koppelkapazitäten zwischen den Kondensatorelementen 5 auftretende Fehlsignale zu vermeiden.

Fehlsignale könnten insbesondere kann auftreten, wenn Pulse F₁, F₂ verschie­ dener Länge in den beiden Zweigen der Auswerteschaltung durch gleichzeitiges Triggern der Monoflops gleichzeitig anstehen würden. Bei fehlerfreiem Signal­ verlauf müßte einer der Pulse früher als der andere abfallen. Durch die zwi­ schen den Kondensatorelementen 5 auftretende Koppelkapazität fällt jedoch der längere Puls gleichzeitig mit dem kürzeren Puls ab, wodurch eine Verfälschung des Signalverlaufs auftreten würde.

In beiden Zweigen der Auswerteschaltung wird die an dem Ausgang des Mono­ flops anstehende Pulsfolge in dem jeweils nachgeschalteten Tiefpaß 12, 12′ in ein Gleichspannungssignal U₁, U₂ gewandelt. Das Gleichspannungssignal U₁, U₂ enthält einen konstanten, zur Versorgungsspannung proportionalen Anteil sowie einen zu dem Sensorsignal proportionalen Anteil, wobei das Sensorsignal der durch die Etiketten 2 oder das Trägermaterial 3 bewirkten Kapazitätsänderung ΔC₁, ΔC₂ entspricht.

Anschließend werden die beiden Gleichspannungssignale U₁, U₂ dem Differenz­ verstärker 13 zugeführt. Das am Ausgang des Differenzverstärkers 13 anstehen­ de Spannungssignal U₃ entspricht der Differenz der Signale U₁ und U₂ und ist demzufolge proportional zur Differenz der Kapazitätsänderungen ΔC₁ und ΔC₂ in den beiden Kondensatorelementen 5.

Der resultierende Singnalverlauf von U₃ für verschiedene Anordnungen der Eti­ ketten 2 relativ zu den Kondensatorelementen 5 ist in Fig. 6 veranschaulicht.

Ist zwischen beiden Kondensatorelementen 5 dieselbe Etikette 2 angeordnet, so liefern beide Kondensatorelemente 5 dieselben Signale, so daß die Spannung U₃ am Ausgang des Differenzverstärkers 13 den Wert null annimmt. Dasselbe gilt für den Fall, daß zwischen den Kondensatorelementen 5 keine Etikette 2 sond­ ern lediglich das Trägermaterial 3 angeordnet ist.

Ein von null verschiedener Spannungswert U₃ könnte in diesen Fällen nur auf­ treten, wenn durch Temperatureinflüsse, Bauteilfehler oder dergleichen Unsym­ metrien in den Zweigen der Auswerteschaltung auftreten würden. Durch Einstel­ len des Stellglieds 14 können diese Unsymmetrien beseitigt werden. Im einfach­ sten Fall kann das Stellglied 14 von einem Potentiometer gebildet sein. In diesem Fall wird die Abtastung der Etiketten 2 stationär durchgeführt. Deswei­ teren kann das Stellglied 14 Teil einer Regelschleife mit großer Zeitkonstante sein. In diesem Fall erfolgt der Abgleich der Zweige der Auswerteschaltung fortlaufend. Diese Ausführungsform wird bei dynamischer Messung angewen­ det, bei welcher die Etiketten 2 mit einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit durch den Luftspalt 6 bewegt werden.

Wird eine Etikette von einem Kondensatorelement 5 erfaßt, und erfaßt das an­ dere Kondensatorelement 5 alleine das Trägermaterial 3, so differieren die in den Kondensatorelementen 5 erzeugten Signale und das Ausgangssignal U₃ nimmt einen von null verschiedenen Wert - ΔU oder ΔU an. Aus dem Vorzei­ chen des Ausgangssignals kann ermittelt werden, ob die Etikette 2 in den Luftspalt 6 eingeschoben wird oder aus diesem austritt.

Die Breite der Signaländerung ΔU ergibt sich im wesentlichen aus den Ab­ messungen der Kondensatorelemente 5. Je geringer die Breite der Kondensato­ relemente 5 und deren Abstand zueinander, desto genauer kann die Kante einer Etikette 2 lokalisiert werden.

Claims (11)

1. Kapazitiver Sensor zur berührungsfreien Abtastung von Etiketten, die auf einem Trägermaterial mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) zwei nebeneinanderliegende Kondensa­ torelemente (5) mit jeweils einem Luftspalt (6) zur Aufnahme des Träger­ materials (3) aufweist, wobei der Abstand zwischen den Kondensatorelemen­ ten (5) kleiner als die Abmessung der Etiketten (2) in Abtastrichtung ist, daß jedem Kondensatorelement (5) ein eine Pulsfolge erzeugendes Zeitglied (11, 11′) und ein Tiefpaß (12, 12′) nachgeschaltet ist, daß die Zeit­ glieder (11, 11′) über einen Oszillator (15) zeitversetzt aktiviert werden, und daß die Ausgänge der Tiefpässe (12, 12′) auf die Eingänge eines Differenz­ verstärkers (13) geführt sind.

2. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitglieder (11, 11′) und die Tiefpässe (12, 12′) jeweils identisch ausgebildet sind.

3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitglieder (11, 11′) jeweils von einem Monoflop gebildet sind.

4. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Oszillator (15) Rechteckpulse mit einem Pulspausenverhältnis von 1 : 1 erzeugt, und daß das erste Zeitglied (11) von den steigenden Flan­ ken und das zweite Zeitglied (11′) von den fallenden Flanken der vom Oszillator (15) erzeugten Pulse getriggert werden.

5. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Zeitgliedern (11, 11′) erzeugten Pulse ungefähr gleich der halben Puls­ dauer der vom Oszillator (15) erzeugten Pulse sind.

6. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Oszillator (15) erzeugte Taktfrequenz im MHz-Bereich liegt.

7. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenz­ frequenzen der Tiefpässe (12, 12′) im KHz-Bereich liegen.

8. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Trägermaterial (3) quer zu den Luftspalten (6) durch die Kon­ densatorelemente (5) hindurch bewegt wird.

9. Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kondensatorelemente (5) von zwei parallel verlaufenden Elek­ troden (8, 8′) und einer den Elektroden (8, 8′) in Abstand gegenüberstehen­ den Kondensatorplatte (9) gebildet sind.

10. Kapazitvier Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorplatte (9) einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt auf­ weist, so daß der Abstand zu den Elektroden (8, 8′) von der Mitte zum Rand der Kondensatorplatte (9) hin zunimmt.

11. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8, 8′) und die Kondensatorplatte (9) gegenüberliegend an den Luftspalt (6) begrenzenden Innenflächen eines Gehäuses (4) montiert sind.