DE19753037C2 - Verfahren und kapazitiver Sensor zur Ermittlung der Plazierung von Meßobjekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen kapazitiven Sensor zur Ermittlung der Plazierung von Meßobjekten nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Aus der DE 42 27 052 C1 ist ein Sensorsystem zur berührungs­ freien Abtastung von Etiketten bekannt. Mittels dieses Sensorsystems wird die korrekte Plazierung von Etiketten auf Trägerbändern ermittelt. Hierzu werden die Etiketten, die auf den Trägerbändern mit gegenseitigem Abstand angeord­ net sind, an einem kapazitiven Sensor vorbeibewegt. Die durch die Etiketten verursachten dielektrischen Änderungen in dem messenden elektrischen Feld des kapazitiven Sensors modulieren einen Oszillator in der Frequenz und das fre­ quenzmudulierte Signal wird an eine elektronische Signalver­ arbeitung gegeben. Dabei wird zunächst in einer Lernphase das Sensorsystem angelernt, indem durch kurzes Abtasten die Träger-Referenzfrequenz ermittelt wird, d. h., die Frequenz, die sich bei Erfassung des Trägermaterials am Oszillator einstellt. Dieser Wert wird in einem Lernvorgang erfaßt und abgespeichert. Er dient als Referenzwert zur Oszillatorfrequenz beim Erfassen des Etiketts + Trägermate­ rial.

Weiterhin ist aus der DE 195 21 129 C1 ein kapazitiver Sensor zur berührungsfreien Abtastung von Etiketten be­ kannt, bei dem der Sensor zwei nebeneinander liegende Kondensatorelemente aufweist, an denen ein Träger mit Etiketten vorbeigeführt wird. Jedem Kondensatorelement ist ein Zeitglied und ein Tiefpaß nachgeschaltet. Die beiden Zeitglieder werden über einen Oszillator zeitlich versetzt aktiviert. Aus den Pulsfolgen an den Ausgängen der Zeitglie­ der werden Differenzsignale gebildet, mittels derer die Kanten der Etiketten erkannt werden können. Wird mit beiden Kondensatorelementen nur das Trägermaterial oder ein Eti­ kett erfaßt, so ergibt sich die Signaldifferenz Null. Wird dagegen mit einem Kondensatorelement ein auf dem Träger aufgebrachtes Etikett erfaßt und mit dem anderen Kondensa­ torelement allein der Träger, so ergibt sich eine von Null verschiedene Signaldifferenz.

Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß sehr dünne Etiketten nicht sicher erfaßt werden können. Diese werden deshalb überwiegend mechanisch abgetastet.

Aus der DE 76 33 370 U1 ist eine Fühleinheit für eine elektronische Einrichtung zur kapazitiven Messung des Durchhangs eines Meßobjekts bekannt. Diese Fühleinheit ist nicht für die Ermittlung der Plazierung von Meßobjekten geeignet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Plazierung transparenter und dünner Meßobjekte auf einer Unterlage mittels eines Verfahrens und eines kapazitiven Sensors sicher zu erfassen.

Erfindungsgemäß wird das gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 erreicht.

Bei einem Verfahren zur Ermittlung der Plazierung von Meßob­ jekten auf einer Unterlage mittels eines kapazitiven Sen­ sors, insbesondere zur berührungsfreien Abtastung von Etiketten, die auf einem Träger mit Abstand zueinander angeordnet sind, werden erfindungsgemäß mittels des kapazi­ tiven Sensors die Umgebungsbedingungen, die dielektrische Änderungen am Meßort verursachen, als Referenzwert mit erfaßt und jeder Meßwert wird mit dem Referenzwert korri­ giert. Weiterhin sind ein Meß- und Referenzschwingkreis bei Abwesenheit eines Meßobjektes so eingestellt, daß eine Dif­ ferenzfrequenz vorhanden ist, wobei beide Schwingkreise denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.

Dabei werden vorzugsweise die Umgebungsbedingungen, d. h., der Referenzwert, gleichzeitig mit jedem Meßwert ermittelt. Es konnte überraschend festgestellt werden, daß durch die Korrektur der Meßwerte mit den aktuellen Umgebungsbedingun­ gen auch extrem dünne transparente Etiketten auf transparen­ ten Trägerfolien sicher erfaßt werden. Weiterhin konnten auch sehr dünne Etiketten sicher erfaßt werden.

Die Differenzfrequenz ist unabhängig von den Umgebungsbedin­ gungen, von denen die Temperatur- und Feuchteänderungen die Meßergebnisse besonders beeinflussen. Die Unabhängigkeit der Differenzfrequenz von den Umgebungsbedingungen ergibt sich daraus, daß diese sowohl im Meß- als auch im Referenz­ schwingkreis erfaßt werden.

Ein kapazitiver Sensor zur Ermittlung der Plazierung von Meßobjekten auf einer Unterlage, insbesondere zur berüh­ rungsfreien Abtastung von Etiketten, die auf einem Träger mit Abstand zueinander angeordnet sind, weist einen Meß- und einen Referenzkanal auf, wobei im Meßkanal ein LC-Oszil­ lator mit einem Kondensator vorgesehen ist, an dem die Meß­ objekte vorbeigeführt werden und der den Umgebungsbedingun­ gen ausgesetzt ist. Im Referenzkanal ist ein LC-Oszillator mit einem Kondensator vorgesehen, der lediglich den Umge­ bungsbedingungen ausgesetzt ist. Der Ausgang beider Oszilla­ toren ist mit einer Auswerteeinheit verbunden. Die beiden LC-Oszillatoren und die Auswerteeinheit zur Bildung der Differenzfrequenz sind als Hybridschaltkreis mit auf dem Substrat realisierten Abgleichkondensatoren ausgeführt, und diese Abgleichkondensatoren sind zur Einstellung der Aus­ gangsdifferenzfrequenz mittels Laserstrahl abgleichbar. Auf diese Weise erfolgt der Funktionsabgleich vor Auslieferung des Sensors an den Kunden.

Die Abgleichkondensatoren weisen vorzugsweise einen Wert von 0-0,5 pF auf.

Die Auswerteeinheit weist eine Baugruppe zur Bildung der Differenzfrequenz beider Schwingkreise auf, wobei zur Bil­ dung der Differenzfrequenz durch digitale Mischung bei Oszillatorfrequenzen von 50-100 MHz ein flankengetrigger­ tes high-speed-D-Flip-Flop mit nachgeschaltetem Standard- CMOS-Gatter (Tor) verwendet wird. Dadurch werden Fehlzäh­ lungen aufgrund metastabiler Zustände vermieden. Weiterhin ist dem Ausgang dieser Baugruppe eine Vergleichsschaltung nachgeordnet, der ein Speicher für die Speicherung von Grenzwerten der Frequenzen für unterschiedliche Dicken des Meßobjektes zugeordnet ist, wobei die Vergleichsschaltung für das Setzen des Schaltausgangs der Auswerteeinheit auf den Pegel "HIGH" bei Erreichen des Freuquenzwertes einer ersten Dicke und für das Setzen des Ausgangs auf den Pegel "LOW" bei Erreichen des Frequenzwertes einer zweiten Dicke vorgesehen ist.

Bei einem Meßobjekt, das aus einem Träger mit mindestens einem Etikett besteht, weist die Auswerteschaltung einen Speicher zur Speicherung der Grenzwerte der Frequenz für "Träger" sowie für "Etikett + Träger" auf, und die Ver­ gleichsschaltung ist für das Setzen des Schaltausgangs der Auswerteeinheit auf den Pegel "HIGH" bei Erreichen des Fre­ quenzwertes "Etikett + Träger" und für das Setzen des Ausgangs auf den Pegel "LOW" bei Erreichen des Frequenzwer­ tes "Träger" vorgesehen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist für die Ermittlung der Grenzwerte der Frequenzen in einem Lernvorgang eine Taste für das kurzzeitige Einschalten des Sensors vorgesehen und für die Speicherung der ermittelten Frequenzen ist ein nichtflüchtiger Speicher in der Auswerteeinheit vorgesehen.

Die maximale Bandgeschwindigkeit bei einer Etiketten- und Trägerdicke von 0,05 mm und einem Abstand der Etiketten von 2 mm zueinander kann Werte zwischen 0 m/min und 500 m/min annehmen.

Es ist zweckmäßig, daß der aktuelle Betriebszustand des Sensors durch verschiedenfarbige LEDs anzeigbar ist. Dabei sollte je eine LED für den Lernzustand, den Meßvorgang und den Schaltausgang vorgesehen sein.

Zur Reduzierung des Streufeldes ist es zweckmäßig, daß mindestens neben einer quer zur Durchlaufrichtung eines Etikettenbandes verlaufenden Kondensatorelektrode des Meßkondensators Vertiefungen vorgesehen sind.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 die Kondensatoranordnung eines erfindungsgemäßen kapazitiven Sensors;

Fig. 2 den Aufbau eines einzelnen Kondensators;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen kapazi­ tiven Sensors;

Fig. 4 das Signal am Schaltausgang in Abhängigkeit von der Plazierung der Etiketten.

Der kapazitive Sensor weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Meßkondensator 2 und ein Referenzkondensator 3 angeordnet sind. Der Meßkondensator 2 weist Kondensatorelektroden 4, 5 auf und der Referenzkondensator 3 weist Kondensatorelektro­ den 6, 7 auf. Wie aus der Fig. 2 ersichtlich ist, sind neben der Kondensatorelektrode 5 Vertiefungen 8, 9 vorgese­ hen, die der Reduzierung des Streufeldes dienen.

Zwischen den Kondensatorelektroden 4, 5 wird ein Etiketten­ band 10 hindurchbewegt, das auf einem Träger 11 im Abstand zueinander angeordnete Etiketten 12 aufweist, deren Lage bestimmt werden soll.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, weist der kapazitive Sensor einen Meßkanal 13 mit einem LC-Oszillator auf, dessen Frequenz sowohl durch das am Meßkondensator 2 vorbei­ geführte Etikettenband als auch durch die Umgebungsbedingun­ gen verändert wird. Als Umgebungsbedingungen beeinflussen insbesondere die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur den Kondensator und damit die Frequenz.

Der kapazitive Sensor weist weiterhin einen Referenzkanal 14 mit einem LC-Oszillator auf, dessen Kondensator und damit dessen Frequenz nur durch die genannten Umgebungsbe­ dingungen beeinflußt wird.

Wenn im Bereich des Meßkondensators 2 kein Etikettenband vorhanden ist, besteht eine voreingestellte Differenzfre­ quenz zwischen den LC-Oszillatoren des Meß- und Referenzka­ nals unabhängig von den Änderungen der Umgebungsbedingun­ gen, d. h., insbesondere Temperatur- und Feuchteänderungen. Wird der Träger 11 des Etikettenbandes 10 durch den Meßkon­ densator 2 erfaßt, steigt die Differenzfrequenz an. Wird zusätzlich zum Träger 11 ein Etikett 12 erfaßt, steigt die Differenzfrequenz weiter an. Es liegen somit drei Oszilla­ torfrequenzen vor und zwar

• a) ohne Träger, ohne Etikett, mit Umgebungsbedingungen
• b) mit Träger, ohne Etikett, mit Umgebungsbedingungen
• c) mit Träger, mit Etikett, mit Umgebungsbedingungen

In einem Lernvorgang werden die Frequenzwerte für "Träger" sowie für "Etikett + Träger" ermittelt und als Grenzwerte in einem Speicher 15 abgelegt.

Im Meßbetrieb werden die Grenzwerte in einer Vergleichs­ schaltung 17 mit den aktuell eingehenden Differenzfrequen­ zen verglichen, die aus den Frequenzen des Meßkanals 13 und Referenzkanals 14 in einer Baugruppe 16 gebildet werden. Wird der Frequenzwert "Etikett + Träger" erreicht, wechselt der Schaltausgang 18 von "LOW" nach "HIGH". Wird der Fre­ quenzwert "Träger" erreicht, wechselt der Schaltausgang 18 von "HIGH" nach "LOW". Hierbei handelt es sich um ein statisches Arbeitsprinzip, d. h. zu jedem Zeitpunkt repräsen­ tiert der Schaltausgang 18 die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Etiketts, wie es aus Fig. 4 erkennbar ist. Es werden somit nicht nur Etikettenkanten erkannt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung der Plazierung von Meßob­ jekten auf einer Unterlage mittels eines kapaziti­ ven Sensors, insbesondere zur berührungsfreien Abtastung von Etiketten, die auf einem Träger mit Abstand zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des kapazitiven Sensors die Umgebungsbe­ dingungen, die dielektrische Änderungen am Meßort verursachen, als Referenzwert gleichzeitig mit dem Meßwert erfaßt werden, daß jeder Meßwert mit dem Referenzwert korrigiert wird und daß ein Meß- und Referenzschwingkreis bei Abwesenheit eines Meßobjek­ tes so eingestellt sind, daß eine Differenzfrequenz vorhanden ist, wobei beide Schwingkreise denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.

2. Kapazitiver Sensor zur Ermittlung der Plazierung von Meßobjekten auf einer Unterlage, insbesondere zur berührungsfreien Abtastung von Etiketten, die auf einem Träger mit Abstand zueinander angeordnet sind, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen Meß- (13) und einen Referenzka­ nal (14) aufweist, wobei der Meßkanal (13) einen LC-Oszillator mit einem Kondensator (2) aufweist, an dem die Meßobjekte vorbeigeführt werden und der den Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, und wobei der Referenzkanal (14) einen LC-Oszillator mit einem Kondensator (3) aufweist, der lediglich den Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, daß der Aus­ gang beider Oszillatoren mit einer Auswerteeinheit verbunden ist und daß die beiden LC-Oszillatoren und die Auswerteeinheit zur Bildung der Differenz­ frequenz als Hybridschaltkreis mit auf dem Substrat realisierten Abgleichkondensatoren ausgeführt sind, und daß diese Abgleichkondensatoren zur Einstellung der Ausgangsdifferenzfrequenz mittels Laserstrahl abgleichbar sind.

3. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgleichkondensatoren einen Wert von 0-0,5 pF aufweisen.

4. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit eine Bau­ gruppe (16) zur Bildung der Differenzfrequenz beider Schwingkreise aufweist, wobei zur Bildung der Differenzfrequenz durch digitale Mischung bei Oszillatorfrequenzen von 50-100 MHz ein flankenge­ triggertes high-speed-D-Flip-Flop mit nachgeschalte­ tem Standard-CMOS-Gatter (Tor) verwendet wird, daß dem Ausgang dieser Baugruppe (16) eine Vergleichs­ schaltung (17) nachgeordnet ist, der ein Speicher (15) für die Speicherung von Grenzwerten der Fre­ quenzen für unterschiedliche Dicken des Meßobjektes zugeordnet ist, wobei die Vergleichsschaltung (17) für das Setzen des Schaltausgangs (18) der Auswerte­ einheit auf den Pegel "HIGH" bei Erreichen des Fre­ quenzwertes einer ersten Dicke und für das Setzen des Ausgangs auf den Pegel "LOW" bei Erreichen des Frequenzwertes einer zweiten Dicke vorgesehen ist.

5. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei einem Meßobjekt, das aus einem Träger (11) mit mindestens einem Etikett (12) besteht, die Auswerteschaltung einen Speicher (15) zur Speicherung der Grenzwerte der Frequenz für "Träger" sowie für "Etikett + Träger" aufweist, und daß die Vergleichsschaltung (17) für das Setzen des Schaltausgangs (18) der Auswerteeinheit auf den Pegel "HIGH" bei Erreichen des Frequenzwertes "Etikett + Träger" und für das Setzen des Ausgangs auf den Pegel "LOW" bei Erreichen des Frequenzwer­ tes "Träger" vorgesehen ist.

6. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ermittlung der Grenzwerte der Frequenzen in einem Lernvorgang eine Taste am Sensor vorgesehen ist und daß für die Speicherung der ermittelten Fre­ quenzen ein nichtflüchtiger Speicher in der Auswer­ teeinheit vorgesehen ist.

7. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandgeschwindigkeit bei einer Etiketten- und Träger­ dicke von 0,05 mm und einem Abstand der Etiketten von 2 mm zueinander von 0 m/min bis mindestens 500 m/min beträgt.

8. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Betriebszustand des Sensors durch ver­ schiedenfarbige LEDs anzeigbar ist.

9. Kapazitiver Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß je eine LED für den Lernzustand, den Meßvorgang und den Schaltausgang vorgesehen ist.

10. Kapazitiver Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens neben einer quer zur Durchlaufrichtung eines Etikettenbandes verlaufenden Kondensatorelek­ trode (5) des Meßkondensators (2) Vertiefungen (8, 9) vorgesehen sind.