DE19702059C2 - Sensorverstärker - Google Patents

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.

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 größer 1, eingehalten wird. Solche Techniken sind in den Schriften DE OS 36 08 639, DE 41 23 828 C2 beschrieben. In den Schriften DE 43 04 898 C2 und DE 37 40 546 A1 sind Schaltungen beschrieben, die digitale Umsetzer für die Verstärkungseinstellung von Verstärkerein­ heiten verwenden.

Es sind auch Techniken bekannt geworden, bei denen bei solchen Schaltern nicht der Rückkopplungsfaktor sondern der Schwellwert für einen Schalter veränderlich einstell­ bar ist, wie z. B. in der DE 40 23 529 dargestellt ist.

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.

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.

Das wesentliche Problem eines solchen beeinflußbaren Sensor­ verstärkers besteht in den Eigenschaften der Stellglieder, z. B. ihrem eigenen Temperaturgang oder ihrer mangelnden Ge­ nauigkeit, die das Sensorsignal verfälschen und daher zu Meß- oder Erfassungsfehlern führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Konstruktion eines Sensor­ verstärkers, insbesondere für induktiv arbeitende Sensoren, anzugeben, der ein 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 und ein Verfahren aufzuzeigen, das die wesentlichen Signalinhalte eines an den Sensor angeschlossenen Erfassungsteils mit hoher Genauig­ keit beeinflußt.

Die Aufgabenstellung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 14 gelöst. Bei ein Vielzahl elektronischer Sensoren, vor­ zugsweise induktiv arbeitender Sensoren, läßt sich ihr elek­ trisches Signal näherungsweise durch einen wenig veränder­ lichen Grundwert und einen variablen Wert beschreiben, der die wesentliche Information beinhaltet. Erfindungsgemäß wird daher das elektrische Signal des Erfassungsteils eine Sensors einem subtrahierenden Verstärker in der Weise zugeführt, daß es in einem ersten Zweig direkt an den Verstärker und einem zweiten Zweig über ein digital einstellbares Netzwerk mit einer Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem ersten Zweig an den Verstärker angeschlossen ist. Durch eine geeignete Dimensionierung der elektrischen Bauelemente ist des möglich, die wesentlichen Signalinhalte des Erfassungsteils über den zweiten Zweig zu beeinflussen, so daß die Genauigkeit des einstellbaren Widerstandsnetzwerks 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 Ver­ stärkers beeinflußt.

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.

Anhand eines Anführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

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 (8) zusammengefaßt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines über den Mikroprozessor (7) beeinflußbaren induktiven Näherungsschalters. Das Er­ fassungsteil dieses Näherungsschalters 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. Über 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 Wider­ standsnetzwerkes (6) sind an die Datenleitungen (20) des Mikroprozessors (7) angeschlossen. In dieser Darstellung ist nur eine Schaltstellung gezeigt. Über die Eingangsdatenlei­ tungen (8) ist der Mikroprozessor für seine unterschiedlichen Aufgaben ansteuerbar, entweder extern oder intern.

Im Falle eines internen Betriebes ist es z. B. möglich, in den Oszillatorschwingkreis 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 Signals 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.

Claims (15)

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 umwandelt, das von dem Auswertungsteil weiter verarbeitet und in ein Signal analoger oder digitaler Art umgesetzt wird, mit einem elektrischen Stellglied, das die elektrische Verstärkung des Auswertungsteils beeinflußt, mit einem subtrahierenden Verstärker (2), dem das elektrische Signal des Erfassungsteils (1) in der Weise zugeführt ist, daß es in einem ersten Zweig direkt an den Verstärker und in einem zweiten Zweig über ein digital einstellbares Widerstands­ netzwerk (6) mit einer Phasenverschiebung von 180° gegenüber dem ersten Zweig an den Verstärker (2) angeschlossen ist, wobei das Erfassungsteil ein Schwing­ kreis (9) eines induktiv arbeitenden Sensors ist, und der Schwingkreis (9) ein Oszillatorschwingkreis ist und so ge­ schaltet ist, daß er über elektrische Komponente mit dem subtrahierenden Verstärker (11) positiv rückgekoppelt ver­ bunden ist, wobei die Oszillatoramplitude des Schwingkreises über das Widerstandsnetzwerk (6) beeinflußbar ist.

2. Sensorverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Oszillatorschwingkreis angeschlossene Verstärker aus mindestens zwei miteinander verschalteten Differenzver­ stärkern besteht.

3. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk (6) ein Digital-Analog-Umsetzer mit R2R-Netzwerk ist.

4. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der subtrahierende Ver­ stärker ein Operationsverstärker (11) ist.

5. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein induktiver Näherungsschalter ist.

6. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk von einem Mikroprozessor (7) angesteuert ist.

7. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, 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 daß Betriebszustände des Sensorverstärkers von außen an­ steuerbar sind.

8. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (7) durch einen Temperatursensor angesteuert ist, der die Um­ gebungstemperatur des Schwingkreises (9) erfaßt.

9. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsnetzwerk (6) von außen so angesteuert ist, daß ein Schaltsignal einer Schaltstufe nur abgegeben wird, wenn der Schwingkreis (9) eine definierte Amplitude aufweist.

10. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Sensorverstärkers im Hinblick auf das nichtlineare Signal­ verhalten des Erfassungsteils (1) vermittels eines Mikro­ prozessors linearisiert ist.

11. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (11) an seinem Ausgang einen Spannungsteiler aufweist, durch den der Rückkopplungsfaktor des Oszillators frei wählbar ist.

12. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Widerstandsnetzwerk (6) ein Verstärker (12) nachgeschaltet ist, und daß die Signalverstärkung im zweiten Zweig größer 1 ist.

13. Sensorverstärker nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der subtrahierende Ver­ stärker (2) durch einen addierenden Verstärker ersetzt ist, in der Weise, daß der erste Zweig direkt an den Verstärker und der zweite Zweig über ein Widerstandsnetzwerk (6) mit integriertem Verstärker (12) angeschlossen ist.

14. Verfahren für elektrisch arbeitende Sensoren mit einem sen­ sorischen Erfassungsteil und einem elektronischen Auswertungs­ teil, wobei Erfassungsteil und Auswertungsteil in der Weise zusammengeschaltet sind, daß das Erfassungsteil eine physika­ lische Größe in ein elektrisches Signal wandelt, das von dem Auswertungsteil weiterverarbeitet und in ein Nutzsignal ana­ log oder digitaler Art umgesetzt wird, mit einem elektrischen Stellglied, das die elektrische Verstärkung des Auswertung­ teils beeinflußt, mit einem ersten Verstärker dem das elek­ trische Signal des Erfassungsteils in der Weise zugeführt ist, daß es in einem ersten Zweig direkt an den Verstärker und in einem zweiten Zweig über ein einstellbares Widerstandsnetz­ werk an den Verstärker angeschlossen ist, wobei ein Anteil des Ausgangssignals des Erfassungsteils über den zweiten Zweig beeinflußt ist und daß die Gesamtverstärkung des Sensorver­ stärkers auf den ersten und zweiten Zweig anteilig verteilt ist und einer der Zweige den größeren Anteil der Gesamtverstär­ kung übernimmt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Verstärker subtrahierend oder addierend ausgebildet ist und seine Eingänge in der Weise beschaltet sind, daß der erste Zweig direkt an den ersten Eingang des Verstärkers und der zweite Zweig über ein Widerstandsnetzwerk (6) mit nach­ folgendem zweiten Verstärker (12) an den zweiten Eingang des Verstärkers angeschlossen ist.