DE19702059A1 - Amplifier for electronic sensors with sensing detector part for inductive proximity switches - Google Patents

Amplifier for electronic sensors with sensing detector part for inductive proximity switches

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Abstract

The amplifier contains the detector (1) and an electronic evaluator connected so that the detector part converts a physical magnitude into an electrical signal, processed by the evaluator for conversion into a usable analog or digital signal. An electric adjuster influences the amplification of the evaluator. The electric signal of the detector is supplied to a subtracting amplifier (2) so that it is coupled to it directly via a first branch, and via a digitally adjustable resistive network by a second branch, with the network containing a phase shift of 180 deg.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensorverstärker für elektronisch arbeitende Sensoren, mit einem sensorischen Erfassungsteil und einem elektronischen Auswertungsteil, wobei Erfassungsteil und Auswertungsteil in der Weise zu­ sammengeschaltet sind, daß das Erfassungsteil eine physika­ lische Größe in ein elektrisches Signal wandelt, das von dem Auswertungsteil weiterverarbeitet und in ein Nutzsignal analoger oder digitaler Art umgesetzt wird, mit einem elek­ trischen Stellglied, das die elektrische Verstärkung des Auswertungsteils beeinflußt.The invention relates to a sensor amplifier for electronically working sensors, with a sensory Recording part and an electronic evaluation part, whereby acquisition part and evaluation part in such a way are interconnected that the detection part is a physical converts greatness into an electrical signal that is generated by processed in the evaluation part and into a useful signal analog or digital type is implemented with an elek trical actuator that the electrical gain of the Evaluation part influenced.

Sensorverstärker der eingangs genannten Art werden insbe­ sondere bei induktiven Näherungsschaltern verwendet. Neuere Entwicklungen zielen darauf ab, den Schaltabstand eines induktiven Näherungsschalters erst dann festzulegen, wenn er bereits fertig produziert ist. Dies ist nur möglich, wenn der Oszillator dieses Näherungsschalters durch ein von außen beeinflußbares elektrisches Stellglied, das innerhalb dieses elektronischen Näherungsschalters vorgesehen ist, verstellt wird. Diese Verstellung geschieht in der Regel in der Weise, daß in den Rückkopplungszweig des Oszillatorverstärkers ein­ gegriffen wird, in der Weise, daß in den Rückkopplungszweig des Oszillators geeignete Widerstände geschaltet werden. In diesen Fällen wird mit einem variablen Rückkopplungsfaktor gearbeitet, so daß die Schwingbedingung für den Oszillator Rückkopplungsfaktor mal Verstärkung ist < 1 eingehalten wird. Sensor amplifiers of the type mentioned are esp used especially with inductive proximity switches. Newer Developments aim to change the switching distance of a Inductive proximity switch only when it is already finished. This is only possible if the oscillator of this proximity switch by an outside influenceable electrical actuator that is within this Electronic proximity switch is provided, adjusted becomes. This adjustment usually takes place in the way that in the feedback branch of the oscillator amplifier is gripped in such a way that in the feedback branch suitable resistors of the oscillator are switched. In these cases comes with a variable feedback factor worked so that the oscillation condition for the oscillator Feedback factor times amplification is <1 is observed.  

Es sind auch Techniken bekannt geworden, bei denen bei solchen Schaltern nicht der Rückkopplungsfaktor sondern der Schwellwert für einen Schalter veränderlich einstell­ bar ist.Techniques have also become known in which such switches not the feedback factor but adjust the threshold value for a switch is cash.

Neben den o.g. Anwendungen, die vor allem darauf abzielen, den Betriebszustand eines induktiven Näherungsschalters einmalig nachträglich festzulegen, werden zunehmend Anwen­ dungen gefordert, wo der Anwender selbst die Betriebszu­ stände eines elektrischen Sensors, z. B. eines elektronischen Näherungsschalters, mit Hilfe einer programmierbaren Steuerung festlegen will. Für den Anwender ist es z. B. auch wünschens­ wert, durch die äußere Verstellung des Sensorverstärkers her­ auszufinden, ob der Sensorverstärker noch funktionstüchtig ist, oder ob bei Annäherung einer Metallfahne an einen in­ duktiven Näherungsschalter der eigentlich gewünschte Schalt­ punkt bald erreicht sein wird, d. h. es ist eine Vorinfor­ mation über das Erreichen eines bestimmten Betriebszustandes des Sensors erwünscht.In addition to the above Applications that are primarily aimed at the operating state of an inductive proximity switch to be determined once, are increasingly becoming users where the user himself is responsible for operating stands of an electrical sensor, for. B. an electronic Proximity switch, using a programmable controller wants to fix. For the user it is e.g. B. also desirable worth, by the external adjustment of the sensor amplifier find out whether the sensor amplifier is still functional or if a metal flag approaches an in ductive proximity switch the actually desired switching point will be reached soon, d. H. it is a preliminary information mation about reaching a certain operating state of the sensor is desired.

Andere Anwender erwarten von einen elektronischen Sensor, daß er in Bezug auf die von ihm erfaßte physikalische Größe ein lineares elektrisches Signal abgibt, obwohl die meisten Zusammenhänge nicht linear sind. Diese vielschichtigen An­ forderungen an einen elektronischen Sensor sind jedoch nur noch durch die Integration eines Mikroprozessors in den Sensorverstärker zu erfüllen.Other users expect an electronic sensor that it is related to the physical quantity it captures emits a linear electrical signal, though most Connections are not linear. These complex layers However, there are only requirements for an electronic sensor by integrating a microprocessor into the To meet sensor amplifiers.

Das wesentliche Problem eines solchen beeinflußbaren Sensor­ verstärkers besteht in den Eigenschaften der Stellglieder, z. B. ihrem eigenen Temperaturgang oder ihrer mangelnden Ge­ nauigkeit, der das Sensorsignal verfälscht und daher seiner­ seits zu Meß- oder Erfassungsfehlern führt. The main problem of such an influenceable sensor amplifier consists in the properties of the actuators, e.g. B. their own temperature response or their lack of Ge accuracy that falsifies the sensor signal and therefore its partly leads to measurement or detection errors.  

Aufgabe der Erfindung ist es, die Konstruktion eines Sensor­ verstärkers anzugeben, der ein von einem Mikroprozessor be­ einflußbares Stellglied aufweist, das durch seine eigenen Eigenschaften das von dem Sensorverstärker verarbeitete elek­ trische Signal nicht verfälscht und eine hohe Genauigkeit bei gleichzeitig niedrigem elektronischen Aufwand bietet.The object of the invention is the construction of a sensor Specify amplifier that be a microprocessor influenceable actuator, which by its own Properties the elec. Processed by the sensor amplifier trical signal is not distorted and high accuracy offers at the same time low electronic effort.

Die Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bei einer Vielzahl elektronischer Sensoren läßt sich ihr elektrisches Signal näherungsweise durch einen wenig veränderlichen Grundwert und einen variablen Wert beschrei­ ben, der die wesentliche Information beinhaltet. Erfindungs­ gemäß wird daher das elektrische Signal des Erfassungsteils eines Sensors einem subtrahierenden Verstärker in der Weise zugeführt, daß es in einem ersten Zweig direkt an den Ver­ stärker und in einem zweiten Zweig über ein digital einstellbares Widerstandsnetzwerk mit einer Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem ersten Zweig an den Verstärker angeschlossen ist. Durch eine geeignete Dimensio­ nierung der elektrischen Bauteile ist es daher möglich, die wesentlichen Signalinhalte des Erfassungsteils über den zwei­ ten Zweig zu beeinflussen, so daß die Genauigkeit des ein­ stellbaren Widerstandsnetzwerkes voll zur Wirkung gelangen kann. Durch die Phasenverschiebung von 180° wird aus dem subtrahierenden Verstärker ein addierender Verstärker, so daß das Widerstandsnetzwerk die Verstärkung dieses Verstärkers beeinflußt. The task is characterized by the features of claim 1 solved. With a large number of electronic sensors their electrical signal approximately by a little variable basic value and a variable value ben, which contains the essential information. Invention accordingly, the electrical signal of the detection part a sensor a subtracting amplifier in the way supplied that it is in a first branch directly to the Ver stronger and in a second branch about a digital adjustable resistor network with a 180 ° phase shift from the first branch to the Amplifier is connected. Through a suitable dimension nation of the electrical components, it is therefore possible to essential signal contents of the acquisition part over the two to influence the branch so that the accuracy of the one adjustable resistor network come fully into effect can. The phase shift of 180 ° turns the subtracting amplifier an adding amplifier, so that the resistor network is the gain of this amplifier influenced.  

Je nach Dimensionierung der elektrischen Bauteile über­ nimmt der Zweig 1 oder der Zweig 2 den größeren Anteil der Gesamtverstärkung des Sensorverstärkers. Das Wider­ standsnetzwerk ist vorzugsweise als Digital-Analog-Um­ setzer mit R2R-Netzwerk ausgebildet. Dieses Netzwerk ist sehr temperaturunempfindlich und weist eine hohe Ge­ nauigkeit auf. Es hat insbesondere den Vorteil, daß sein Eingangswiderstand konstant ist so daß es direkt in einen zweiten Signalkreis eingefügt werden kann. Das Netzwerk ist direkt an die Datenleitungen eines Mikroprozessors anschließbar, was eine einfache Programmierung ermöglicht. Durch die Kombination dieser vorteilhaften Merkmale ent­ steht ein Sensorverstärker, der die Aufgabenstellung voll erfüllt.Depending on the dimensioning of the electrical components, branch 1 or branch 2 takes on the greater part of the overall gain of the sensor amplifier. The resistance network is preferably designed as a digital-to-analog converter with an R2R network. This network is very insensitive to temperature and has a high level of accuracy. It has the particular advantage that its input resistance is constant so that it can be inserted directly into a second signal circuit. The network can be connected directly to the data lines of a microprocessor, which enables simple programming. The combination of these advantageous features creates a sensor amplifier that fully fulfills the task.

Anhand eines Anführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an example explained.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau. Das Erfassungsteil (1) liefert in einem ersten Signalzweig das Signal an einen subtrahierenden Verstärker (2). In einem zweiten Signalzweig liefert es das Signal an ein digital einstellbares Wider­ standsnetzwerk dessen Ausgang seinerseits dem subtrahierenden Verstärker zugeführt ist. Dieses Ausgangssignal ist 180° ver­ schoben. Durch die subtrahierenden Eigenschaften des Ver­ stärkers (2) werden beide Signal addiert. Das Ausgangssignal des Verstärkers (2) wird der Signalverarbeitung (3) des Sensorverstärkers zugeführt. Das Gesamtsignal des Sensorver­ stärkers steht im Ausgang (5) zur Verfügung. Das Widerstands­ netzwerk (6) wird von den Datenleitungen eines Mikroprozessors (7) angesteuert. Die Eingangsdatenleitungen des Mikro­ prozessors sind in dem Anschluß (B) zusammengefaßt. Fig. 1 shows the schematic structure. The detection part ( 1 ) delivers the signal to a subtracting amplifier ( 2 ) in a first signal branch. In a second signal branch, it delivers the signal to a digitally adjustable resistance network, the output of which in turn is fed to the subtracting amplifier. This output signal is shifted ver 180 °. Due to the subtracting properties of the amplifier ( 2 ), both signals are added. The output signal of the amplifier ( 2 ) is fed to the signal processing ( 3 ) of the sensor amplifier. The overall signal from the sensor amplifier is available in output ( 5 ). The resistance network ( 6 ) is controlled by the data lines of a microprocessor ( 7 ). The input data lines of the microprocessor are summarized in connection (B).

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines über den Mikroprozessor (7) beeinflußbaren induktiven Näherungsschalters. Das Er­ fassungsteil dieses Näherungsschalters besteht besteht aus einem Resonanzkreis (9) der an den nicht invertierenden Ein­ gang eines Impedanzwandlers (10) angeschlossen ist. Das Ausgangssignal dieses Impedanzwandlers ist in einem ersten Zweig dem nichtinvertierenden Eingang eines Operationsver­ stärkers (11) zugeführt, wobei das Eingangssignal durch die Widerstände (16, 17) beeinflußbar ist. Der Impedanzwandler (10) liefert in einem zweiten Zweig sein Ausgangssignal an ein Widerstandsnetzwerk (6). Dieses Widerstandsnetzwerk ist ein Digital-Analog-Umsetzer mit R2R-Netzwerk. Das Ausgangssignal dieses Netzwerkes (6) ist an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (12) angeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers (12) ist über den Widerstand (18) dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (11) zuge­ führt. Weil die Eingangssignale an dem Operationsverstärker (11) gegeneinander um 180° verschoben sind, erfolgt eine Addition beider Signalzweige. Ober die Widerstände (18, 13) ist der Signalanteil des Widerstandsnetzwerkes (6) wählbar. Das Aus­ gangssignal des Operationsverstärkers (11) wird über den Spannungsteiler (19, 14) dem Resonanzkreis des Erfassungsteils zugeführt. Während der Rückkopplungsfaktor des Sensorver­ stärkers über die Widerstandskombination (14, 19) frei wähl­ bar ist, und somit eine Voreinstellung des Näherungsschalters für einen bestimmten Betriebszustand vorgenommen werden kann, gewährleistet das Netzwerk (6) die Feineinstellung der Ver­ stärkung des Sensorverstärkers. Die Schalteingänge (12) des Sensorverstärkers (6) sind an die Datenleitungen (20) des Mikroprozessors (7) angeschlossen. In dieser Darstellung ist nur eine Schaltstellung gezeigt. Ober die Eingangsdatenlei­ tungen (8) ist der Mikroprozessor für seine unterschiedlichen Aufgaben ansteuerbar, entweder extern oder intern. Fig. 2 shows the structure of an inductive proximity switch which can be influenced by the microprocessor ( 7 ). He detection part of this proximity switch consists of a resonant circuit ( 9 ) which is connected to the non-inverting input of an impedance converter ( 10 ). The output signal of this impedance converter is supplied in a first branch to the non-inverting input of an operational amplifier ( 11 ), the input signal being able to be influenced by the resistors ( 16 , 17 ). The impedance converter ( 10 ) supplies its output signal to a resistance network ( 6 ) in a second branch. This resistor network is a digital-to-analog converter with an R2R network. The output signal of this network ( 6 ) is connected to the inverting input of the operational amplifier ( 12 ). The output of the operational amplifier ( 12 ) is supplied via the resistor ( 18 ) to the inverting input of the operational amplifier ( 11 ). Because the input signals at the operational amplifier ( 11 ) are shifted from each other by 180 °, the two signal branches are added. The signal component of the resistor network ( 6 ) can be selected via the resistors ( 18 , 13 ). The output signal from the operational amplifier ( 11 ) is fed via the voltage divider ( 19 , 14 ) to the resonant circuit of the detection part. While the feedback factor of the sensor amplifier can be freely selected via the resistor combination ( 14 , 19 ) and the proximity switch can thus be preset for a specific operating state, the network ( 6 ) ensures the fine adjustment of the sensor amplifier gain. The switching inputs ( 12 ) of the sensor amplifier ( 6 ) are connected to the data lines ( 20 ) of the microprocessor ( 7 ). Only one switch position is shown in this illustration. Via the input data lines ( 8 ), the microprocessor can be controlled for its different tasks, either externally or internally.

Im Falle eines internen Betriebes ist es z. B. möglich, in den Ozillatorschwingkreis einen Temperatursensor zu inte­ grieren, diesen an eine Auswertungsschaltung anzuschließen, und mit dem elektrischen Ausgangssignal dieser Auswertungs­ schaltung den Mikroprozessor über die Anschlüsse (8) anzu­ steuern. Auf diese Weise ist es möglich, daß der Mikro­ prozessor (7) das Netzwerk (6) so ansteuert, daß das Aus­ gangssignal (5) des Sensorverstärkers in Bezug auf das elektrische Signal des Erfassungsteils (1) in der Weise ver­ stellbar ist, daß störende Beeinflussungen des elektrischen Signal des Erfassungsteils (1) durch seine physikalische Um­ gebung oder seine physikalischen Eigenschaften kompensiert sind, oder das Betriebszustände des Sensorverstärkers von außen ansteuerbar sind, z. B. in der Weise, daß der Sensor­ verstärker eines induktiven Näherungsschalters von außen so angesteuert ist, daß ein Schaltsignal einer Schaltstufe (5) nur abgegeben wird, wenn der Schwingkreis (9) eine definierte Amplitude aufweist. Es ist auch denkbar, daß in einem zusätzlichen Speicher das nicht lineare Signalver­ halten des Empfangteils (1) abgelegt ist, und der Mikro­ prozessor aufgrund dieser Daten das Ausgangssignal des Sensorverstärkers linearisiert.In the case of internal operation, it is e.g. B. possible to integrate a temperature sensor in the oscillator circuit, to connect it to an evaluation circuit, and to control the microprocessor via the connections ( 8 ) with the electrical output signal of this evaluation circuit. In this way it is possible that the microprocessor ( 7 ) controls the network ( 6 ) so that the output signal ( 5 ) of the sensor amplifier in relation to the electrical signal of the detection part ( 1 ) is adjustable in such a way that interfering influences of the electrical signal of the detection part ( 1 ) by its physical environment or its physical properties are compensated, or the operating states of the sensor amplifier can be controlled from the outside, for. B. in such a way that the sensor amplifier of an inductive proximity switch is controlled from the outside so that a switching signal of a switching stage ( 5 ) is only given when the resonant circuit ( 9 ) has a defined amplitude. It is also conceivable that the non-linear Signalver hold the receiving part ( 1 ) is stored in an additional memory, and the micro processor linearized the output signal of the sensor amplifier based on this data.

Claims (9)

1. Sensorverstärker für elektronisch arbeitende Sensoren mit einem sensorischen Erfassungsteil und einem elektronischen Auswertungsteil, wobei Erfassungsteil und Auswertungsteil in der Weise zusammengeschaltet sind, daß das Erfassungs­ teil eine physikalische Größe in ein elektrisches Signal wandelt, das von dem Auswertungsteil weiterverarbeitet und in ein Nutzsignal analoger oder digitaler Art umgesetzt wird, mit einem elektrischen Stellglied, das die elektrische Verstärkung des Auswertungsteils beeinflußt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das elektrische Signal des Erfassungsteils (1) einem subtrahierenden Verstärker (2) in der Weise zuge­ führt ist, daß es in einem ersten Zweig direkt an den Ver­ stärker und in einem zweiten Zweig über ein digital ein­ stellbares Widerstandsnetzwerk (6) mit einer Phasenver­ schiebung von 180° gegenüber dem ersten Zweig an den Ver­ stärker (2) angeschlossen ist.1. Sensor amplifier for electronically operating sensors with a sensory detection part and an electronic evaluation part, the detection part and evaluation part being interconnected in such a way that the detection part converts a physical quantity into an electrical signal, which is further processed by the evaluation part and converted into a useful signal analog or is implemented digitally, with an electrical actuator that affects the electrical gain of the evaluation part, characterized in that the electrical signal of the detection part ( 1 ) leads to a subtracting amplifier ( 2 ) in such a way that it is in a first branch directly to the amplifier and in a second branch via a digitally adjustable resistor network ( 6 ) with a phase shift of 180 ° relative to the first branch to the amplifier ( 2 ). 2. Sensorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk (6) ein Digital-Analog-Umsetzer mit R2R-Netzwerk ist.2. Sensor amplifier according to claim 1, characterized in that the resistance network ( 6 ) is a digital-to-analog converter with an R2R network. 3. Sensorverstärker nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der subtrahierende Verstärker ein Operationsverstärker (11) ist. 3. Sensor amplifier according to claim 1 and 2, characterized in that the subtracting amplifier is an operational amplifier ( 11 ). 4. Sensorverstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk von einem Mikroprozessor (7) angesteuert ist.4. Sensor amplifier according to claim 2, characterized in that the resistance network is controlled by a microprocessor ( 7 ). 5. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungsteil ein Schwingkreis (9) eines induktiven Näherungsschalters ist, und der Schwingkreis (9) ein Oszillatorschwingkreis ist und so geschaltet ist, daß er über elektronische Kompo­ nenten mit dem subtrahierenden Verstärker (11) positiv rückgekoppelt verbunden ist, wobei die Oszillatoramplitude des Schwingkreises über das Widerstandsnetzwerk (6) be­ einflußbar ist.5. Sensor amplifier according to one or more of claims 1-4, characterized in that the detection part is a resonant circuit ( 9 ) of an inductive proximity switch, and the resonant circuit ( 9 ) is an oscillator resonant circuit and is connected such that it has components via electronic components the subtracting amplifier ( 11 ) is connected in a positive feedback, the oscillator amplitude of the resonant circuit being able to be influenced via the resistor network ( 6 ). 6. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (7) das Netzwerk (6) so ansteuert, daß das Ausgangssignal (5) des Sensorverstärkers in Bezug auf das elektrische Signal des Erfassungsteils (1) in der Weise verstellbar ist, daß störende Beeinflussungen des elektrischen Signals des Er­ fassungsteils (1) durch seine physikalische Umgebung oder seine physikalischen Eigenschaften kompensiert sind oder das Betriebszustände des Sensorverstärkers von außen an­ steuerbar sind. 6. Sensor amplifier according to one or more of claims 1-5, characterized in that the microprocessor ( 7 ) controls the network ( 6 ) so that the output signal ( 5 ) of the sensor amplifier in relation to the electrical signal of the detection part ( 1 ) in which is adjustable in such a way that disturbing influences on the electrical signal of the detection part ( 1 ) are compensated for by its physical environment or its physical properties or the operating states of the sensor amplifier can be controlled from the outside. 7. Sensorverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (7) durch einen Temperatursensor angesteuert ist, der die Umgebungstemperatur des Schwing­ kreises (9) erfaßt.7. Sensor amplifier according to claim 6, characterized in that the microprocessor ( 7 ) is controlled by a temperature sensor which detects the ambient temperature of the resonant circuit ( 9 ). 8. Sensorverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorverstärker eines induktiven Näherungsschalters von außen so angesteuert ist, daß ein Schaltsignal einer Schaltstufe des Sensorverstärkers nur abgegeben wird, wenn der Schwingkreis (9) eine definierte Amplitude aufweist.8. Sensor amplifier according to claim 6, characterized in that the sensor amplifier of an inductive proximity switch is controlled from the outside so that a switching signal of a switching stage of the sensor amplifier is only given when the resonant circuit ( 9 ) has a defined amplitude. 9. Sensorverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtlineares Signalverhalten des Erfassungsteils (1) durch den Mikroprozessor (7) linearisiert ist.9. Sensor amplifier according to claim 6, characterized in that a non-linear signal behavior of the detection part ( 1 ) by the microprocessor ( 7 ) is linearized.
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